[发明专利]一种制备具有三维宏观多孔结构的石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过溶液法制备具有三维宏观多孔结构的石墨烯的方法，属于多孔宏观体碳材料领域。

背景技术

石墨烯一直被视为极具潜力的大容量耐酸碱吸附剂，在环境领域被广为研究。然而，由层间作用力引起的材料垛叠团聚、使用后难以回收等问题一直制约了石墨烯的进一步应用。近两年来，一类三维石墨烯基块体材料迅速成为了人们的关注热点。这类三维石墨烯基块材往往具有低密度、多孔隙的特点，有利于离子和分子在材料中通过；更重要的是，这类块体材料仍有效地保留单层石墨烯高比表面的特性，可以在吸附时提供丰富的活性位点且更易回收。越来越多的研究表明，三维石墨烯对重金属离子、有机溶液以及染料等环境污染物，具有良好的吸附效果。而为了进一步探索这类新材料在环境中的应用，一种适宜吸附应用的合成方法就变得必不可少了。

目前，三维石墨烯材料合成方法可分为模板法和非模板法两大类。模板法利用气相沉积在牺牲模板上生长出三维石墨烯结构，对温度和气氛控制有较高要求；非模板法中，直接干燥法通常需要用到真空冷冻干燥或高压超临界干燥技术。相比之下，另一种非模板法——还原自组装法简单易行，近来逐渐得到更多的研究。Xu等利用水热法直接从氧化石墨烯还原组装获得纯净的三维石墨烯结构，但该法需要高温(90～200℃)高压且受限于反应釜尺寸，难以实现宏量合成(Y.Xu,K.Sheng,C.Li and G.Shi,Self-assembled graphene hydrogel via a one-step hydrothermal process.ACS Nano,2010,4,4324-4330.)；Zhao等将吡咯等化合物作为交联剂获得了极大比表面的超轻可逆压缩三维结构(J.Zhao,W.Ren and H.Cheng,Graphene sponge for efficient and repeatable adsorption and desorption of water contaminations.Journal of Materials Chemistry,2012,22,20197-20202.)，但高毒的交联剂最终进入三维石墨烯的内部，不适用于环境。另外，还有一系列加入NaHSO3、Na2S、HI、NaBH4、对苯二酚以及VC等强还原剂，在95℃下获得三维石墨烯结构的低温还原自组装法(L.Zhang,G.Chen,M.N.Hedhili,H.Zhang and P.Wang,Three-dimensional assemblies of grapheme prepared by a novel chemical reduction-induced self-assembly method.Nanoscale,2012,4,7038-7045.)，这类方法对设备操作要求低、绿色节能便于量产，环境应用潜力大。然而应该注意到，目前该法需使用的还原剂反应活性较高，遇水、氧气、光照均会发生分解；同时随着还原反应的进行，还原剂也将不断消耗，均造成成本的提升；另外，这些还原剂及其还原产物大部分具有高毒性，并不适于环境应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种溶液法循环制备三维石墨烯多孔宏观材料的方法，该方法具有制备过程简单、条件温和，成本低廉，绿色无毒等特点。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种制备具有三维宏观多孔结构的石墨烯的方法，包括如下步骤：

a)制备乙二胺四乙酸二钠水溶液；

b)制备氧化石墨烯粉末；

c)将步骤b)中制备的氧化石墨烯粉末加入到步骤a)中制备的乙二胺四乙酸二钠水溶液中，超声使分散均匀，得到氧化石墨烯-乙二胺四乙酸二钠溶液；

d)将步骤c)中得到的氧化石墨烯-乙二胺四乙酸二钠溶液密封后，于90～100℃下进行原位自组装，得到三维石墨烯水凝胶，即具有三维宏观多孔结构的石墨烯材料。

作为优选方案，本发明还包括步骤e)：将步骤d)中的三维石墨烯水凝胶取出后，再次向溶液中加入步骤b)中得到的氧化石墨烯粉末，再次超声使分散均匀，得到氧化石墨烯-乙二胺四乙酸二钠溶液，将所述氧化石墨烯-乙二胺四乙酸二钠溶液密封后于90～100℃下再次进行原位自组装，再次得到三维石墨烯水凝胶，步骤e可重复操作9次。

作为优选方案，所述乙二胺四乙酸二钠水溶液的浓度为0.15～0.25mol/L。

作为优选方案，所述氧化石墨烯粉末的制备方法为Hummers法。