[发明专利]一种自支撑还原氧化石墨烯纸及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯纸及其制备方法，尤其涉及一种自支撑还原氧化石墨烯纸及其制备方法。

背景技术

石墨烯，作为一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，自2004年被发现以来，成为了目前世界上最薄却最坚硬的纳米材料，其强度是钢的200倍。除了强度极高以外，石墨烯拥有惊人的柔软性，可在不出现破损的情况下伸展20％。这使其在功能复合材料方面，比如超薄超轻飞机材料、超轻超韧防弹衣等方面有很大潜在应用前景。石墨烯优异的导电性、导热性和和力学性能，使其在复合材料，新型电子器件，太阳能电池，超级电容器，储氢材料等新能源领域具有广泛的应用前景。

还原氧化石墨烯的制备方法有很多种，其中，化学还原法具有产率高，制备方法简单，成本较低的优点，且制备的还原氧化石墨烯具有很好的溶剂分散性，因而成为制备还原氧化石墨烯的一个热门方法。

采用石墨烯分散液制备石墨烯薄膜的方法通常有：过滤沉积法、电泳沉积法、热喷涂法、LB法、层层自组装法、旋涂法、化学气相沉积等。但是，通过这些方法制备得到的石墨烯薄膜都很难从玻璃片、石英片、云母片等基底材料剥离，这就阻碍了石墨烯薄膜的转移及进一步的应用。

经过对现有技术的检索发现，新加坡南洋理工大学陈晓东教授在Advanced Functional Materials第23卷2972～2978页撰文提出，利用水上铺展技术得到了自支撑石墨烯蜂窝薄膜，具有可以转移到任意基底上的能力，他们的研究开启了自支撑石墨烯纸制备可行性的大门，然而，该制备方法耗时长、成品率低、尺寸厚度可调控性差。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种更简单易行、更广泛、更有效的制备方法来实现自支撑石墨烯纸的制备。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种更简单易行、更广泛、更有效的制备方法来实现自支撑石墨烯纸的制备。

为实现上述目的，本发明提供了一种自支撑还原氧化石墨烯纸的制备方法，包括以下步骤：

(a)氧化石墨烯溶液的还原：在室温下，将氧化石墨分散于水中，然后加入表面活性剂，超声处理后得到浓度为0.5～5mg/mL的氧化石墨分散液；然后在所述氧化石墨分散液中加入1～5mL水合肼，油浴加热至90～120℃，反应5～24h后得到还原氧化石墨烯悬浮液；

(b)还原氧化石墨烯的羟基化处理：将油浴反应温度降至80～90℃，在所述还原氧化石墨烯悬浮液中依次加入氨基苯甲酸和亚硝酸异戊酯，油浴反应至少10h后得到羟基修饰的还原氧化石墨烯分散液；

(c)羟基化还原氧化石墨烯固体粉末的制备：将所述羟基修饰的还原氧化石墨烯分散液进行抽滤，然后水洗，最后经过冷冻干燥处理，得到所述羟基化还原氧化石墨烯固体粉末；

(d)自支撑还原氧化石墨烯纸的生成：将所述羟基化还原氧化石墨烯固体粉末分散于溶剂中，超声处理后得到浓度为0.1～5mg/mL的还原氧化石墨烯分散液，经过减压抽滤处理后，所述还原氧化石墨烯分散液在滤膜上形成还原氧化石墨烯薄膜，自然干燥后，所述滤膜脱落，得到所述自支撑还原氧化石墨烯纸。

进一步地，所述步骤(a)中采用的所述氧化石墨通过Hummers法、Brodie法或Staudenmaier法制备而成。

进一步地，所述步骤(a)中采用的所述表面活性剂为阳离子表面活性剂或阴离子表面活性剂。

进一步地，所述阳离子表面活性剂为聚丙烯酰胺。

进一步地，所述阴离子表面活性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠。

进一步地，所述步骤(a)或所述步骤(d)中，所述超声处理为工作频率40～200kHz、超声功率50～200W下的超声作用，且超声时间为1～3h。

进一步地，所述步骤(b)中，所述对氨基苯甲酸的量为所述氧化石墨中碳摩尔当量的2-6倍，所述亚硝酸异戊酯的量为所述氧化石墨中碳摩尔当量的1～3倍。

进一步地，所述步骤(c)中，所述水洗是指用去离子水将滤液洗至无色且无泡沫为止，所述冷冻干燥处理时间为24～36h；所述步骤(d)中，所述自然干燥是指在室温下、空气中经过8～24h自然晾干。

进一步地，所述步骤(d)中，所述溶剂为去离子水，乙醇，N,N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺中的一种或几种的混合；所述滤膜为聚偏氟乙烯滤膜、醋酸纤维素滤膜、纤维素滤膜或阳极氧化铝滤膜。

本发明还公开了一种利用上述制备方法制得的自支撑还原氧化石墨烯纸，所述自支撑还原氧化石墨烯纸纯度高、均匀平整，具有较好的力学性能。