[发明专利]一种基于化学还原法的石墨烯可压缩气凝胶及其制备方法、应用

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料领域，特别涉及一种基于化学还原法的石墨烯可压缩气凝胶及其制备方法、应用。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种单层碳原子材料，是由sp²杂化碳原子组成的二维蜂窝状晶体。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被大家认为是目前世界上已知的最坚硬、最有韧性、最薄的新型材料。石墨烯具有很高的强度，由于碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最好的材料。石墨烯比钻石还要坚硬，其强度比世界上最好的钢铁还高100倍。其独特的稳定结构使石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括半整数量子霍尔效应、、高比表面积、自旋轨道交互作用、高导热性、零带隙半导体、高电子/空穴迁移率以及优良的机械性能。，被认为在集成电路、单分子探测器、场效应晶体管等量子器件、储能材料、功能性复合材料、催化剂载体等方面有非常广泛的应用前景。

石墨烯通常由石墨表面剥离获得，最早采用的方法是机械剥脱法。而在其他工艺中，通常将石墨先氧化为氧化石墨，然后超声分散得到氧化石墨烯(GO)，最后通过各种还原手段得到还原氧化石墨烯(RGO)。

石墨烯是一种比较疏松的物质，在高分子基体中很容易团聚，而且石墨烯本身不亲水、不亲油，在一定程度上也限制了石墨烯与其它高分子化合物的复合，尤其是纳米复合。因而，很多研究者对石墨烯的改性进行了许多的研究，以提高石墨烯和高分子基体的亲和性，从而得到很好的复合。

水凝胶是一种特殊的分散体系，是由高分子、小分子聚集体或胶体粒子由物理或化学交联的充满水的三维固体亲水网络结构体系。作为一种新的软材料，水凝胶已广泛用于人造组织，药物载体，电极材料，传感器和吸附剂等方面。传统水凝胶一般由有机聚合物交联而成，但是其较差的机械性能和稳定性限制了它们的广泛应用。将水凝胶中的水利用空气代替，则水凝胶转变为气凝胶。碳质水凝胶和气凝胶是一大类已受到很大关注的凝胶，由于其多功能性。三维网络和碳凝胶的多孔结构可以提供电解质离子和电子的有效扩散，从而导致良好的应用前景在超级电容器。CNT基气凝胶和基于石墨烯气凝胶保持高的导电性，坚固的机械性能，优异的柔韧性和高表面积的优点。更重要的是，许多的气凝胶的是自由站立，不含粘合剂的且容易大量生产。这些优点使他们可以作为轻巧灵活超级电容器电极-一个合适的电源用于便携式和可佩戴电子设备。

作为一类重要的结构材料，多孔可压缩柔性材料因其在能源，生命科学以及环境保护等技术领域广阔的应用前景近年来引起了研究者广泛的关注。然而，在同一结构中同时实现发达的孔隙结构，可压缩特性等性能却并非易事。在提高材料孔隙率的过程中，往往会导致结构的脆性，引起机械性能的降低。如何选择合适的构筑单元，在纳米尺度上调控其性能并进行可控组装实现这类孔隙发达且机械性能优异的超轻高弹性宏观结构是一个富有挑战性的课题。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供一种基于化学还原法的石墨烯可压缩气凝胶及其制备方法、应用。制备的可压缩性、高弹态的石墨烯气凝胶,能够满足能量缓冲、减震、环保等高性能产品的苛刻要求。

现有技术中普遍采用间苯二酚、甲醛等酚醛树脂类物质作为黏结剂，制备的石墨烯气凝胶虽然具有低密度、高比表面积、大孔体积、高电导率、良好的热稳定性及结构可控等优点，但石墨烯层级之间无法形成有效地弹性连接，气凝胶的可压缩性、机械性能差。为了克服上述问题，本发明在理论分析和大规模试验的基础上，发现：采用γ-氧代-1-芘丁酸OPBA作为黏结剂时，利用OPBA与RGO(苯环之间)具有π-π相互作用力、OPBA与高分子聚合物HMP之间的氢键，HMP与RGO之间氢键的相互作用，形成的三种作用力可赋予气凝胶优异的可压缩性和机械性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于化学还原法的石墨烯可压缩气凝胶的制备方法，包括：

以氧化石墨烯GO为原料、2-氧代-4-苯基丁酸OPBA为黏结剂，化学还原制得RGO-OPBA气凝胶；

在RGO-OPBA气凝胶上浸涂高分子聚合物溶液HMP，除去溶剂，即得RGO-OPBA-HMP气凝胶。

优选的，所述氧化石墨烯、2-氧代-4-苯基丁酸的质量比为：4～16:1～1.2；

优选的，所述化学还原条件为：100～120℃，反应时间12-18h；

优选的，所述高分子聚合物为聚乙烯醇PVA、聚醋酸乙烯乳液PVAC、聚丙烯酰胺PAM中的一种或多种的组合。