[发明专利]一种碳纳米纤维‑石墨烯复合气凝胶及其协同组装制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米纤维碳气凝胶技术领域，具体涉及一种碳纳米纤维-石墨烯复合气凝胶及其协同组装制备方法。

背景技术

碳气凝胶因其具有孔隙率高、质轻、比表面积大、孔洞结构易于调节及稳定性好、导电率高等优点，被广泛用作催化剂载体、吸附材料、储氢材料及各种电极材料等，被认为是未来十大最具潜力的新材料之一，因而成为研究热点。

自然界中不乏基于一维材料的三维构体，如蜘蛛网和骨骼组织，它们都具备很低的密度和良好的结构稳定性。已有研究表明，将一维碳材料如碳纳米管、碳纳米棒等引入碳气凝胶，不仅能显著减小材料的密度，还能有效提高碳气凝胶的各项性能如比表面积、导电性、电化学活性等。但是高效可控地制备基于一维材料的碳气凝胶目前在学界仍颇具挑战性。

静电纺丝纳米纤维因为其制备工艺简单、力学性能良好、成分可控等优势，非常适合于构建多孔、质轻、力学性能优异的功能化气凝胶材料。但是，受限于静电纺丝技术的收集方式，传统的沉积收集方法最后得到的宏观产物只能是纤维薄膜而非三维的气凝胶。一些研究者提出可以采用特别设计的接收装置来解决上述问题，但其结果并不理想。因此，人们目前面临的难题就是，如何寻找一种稳固有效的构建方式，将静电纺纳米纤维进行后期的重新组装，可控制备以静电纺纳米纤维为主体的气凝胶材料。

石墨烯是一种典型的二维纳米碳材料，由碳原子以sp²杂化排列、紧密堆积而成的蜂窝晶格结构，因其具有密度小、比表面积大、载流子迁移速率大及电导率高等优点而成为化学、物理、材料等学科领域的研究热点。氧化石墨烯边缘具有大量的羧基、羟基等含氧基团，经超声处理很容易实现其在水溶液中的均匀分散。更重要的是，这些官能团还能和静电纺聚合物纳米纤维表面的基团相互作用，形成有效键合。因此，我们期望以这种水分散性良好且环境友好的氧化石墨烯作为交联剂，通过其与电纺纳米纤维表面的化学相互作用力来实现两者的协同组装，最终经过一步碳化以得到结构稳定，电化学性能优异的全碳多孔气凝胶材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有丰富孔洞结构、低密度、高回弹性以及高结构稳定性的碳纳米纤维-石墨烯复合气凝胶及其制备方法。

本发明利用氧化石墨烯和氧化聚丙烯腈纳米纤维之间的氢键作用力，通过简单的协同组装方法结合冷冻干燥和高温碳化技术，制备得新型的基于一维—二维纳米材料的功能化碳气凝胶。

本发明提供的碳纳米纤维-石墨烯复合气凝胶的制备方法，具体步骤如下：

（1）在高速搅拌和油浴条件下，配制一定浓度的聚丙烯腈（PAN）纺丝溶液；

（2）采用静电纺丝法制备聚丙烯腈纳米纤维；

（3）通过程序控温，对步骤（2）的聚丙烯腈纳米纤维进行预氧化处理，得到表面功能化的氧化聚丙烯腈纳米纤维；

（4）采用高速匀浆机，对步骤（3）的氧化聚丙烯腈纳米纤维进行匀浆处理；

（5）将氧化石墨烯（GO）分散于去离子水中，超声得到稳定分散的氧化石墨烯分散液；

（6）将步骤（4）得到的氧化聚丙烯腈纳米纤维分散液和步骤（5）得到的氧化石墨烯分散液混合，在连续的超声和搅拌处理下进行协同组装过程，经过液氮冷冻和冷冻干燥，得到氧化聚丙烯腈纳米纤维-氧化石墨烯气凝胶；

（7）将步骤（6）得到的氧化聚丙烯腈纳米纤维-氧化石墨烯气凝胶进行高温碳化，得到碳纳米纤维-石墨烯复合气凝胶。

本发明步骤（1）中所述的配制聚丙烯腈纺丝液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，聚丙烯腈的浓度为0.1~0.15。

本发明步骤（1）中，所述的油浴的温度为70~80℃。

本发明步骤（2）中，所述的静电纺丝工艺参数为流速0.2~0.3 mm/min，电压为18~20 kV，接收距离为10~20 cm。

本发明步骤（3）中，所述的程序控温升温速率为1~2℃/min，平台温度为250~300℃，保持2~4 h，自然降温。

本发明步骤（4）中，所使用的匀浆机的工作转速为10000~13000 rpm，处理时间为10~30 min。

本发明步骤（5）中，所述的氧化石墨烯由Hummers方法制备。

本发明步骤（6）中，所述的氧化聚丙烯腈纳米纤维-氧化石墨烯混合分散液的氧化石墨烯浓度为1~4 mg/mL，氧化聚丙烯腈纳米纤维的浓度为2~4 mg/mL。