[发明专利]一种超疏水石墨烯气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯气凝胶的制备方法，特别涉及一种超疏水石墨烯气凝胶的制备方法，属于功能材料领域。

背景技术

随着现代工业的发展，石油以及各种有机溶剂泄露事故的频发对环境造成灾难性影响。另外，石油和大多有机溶剂是易燃的，带来起火、爆炸等安全隐患，对环境和人类生命财产的安全都造成巨大威胁。因此，吸油(有机物)材料对于保护环境，维持水质最有重要意义。传统的天然吸油材料虽然成本低，但吸附率差且吸附选择性低。人工合成的聚合物材料，虽然改善了吸附选择性，但吸附率依然很低且会造成二次污染。因此近年来开发了大量新型高效的吸油材料，如N掺杂气凝胶，纳米纤维素气凝胶，超轻石墨烯-碳纳米管气凝胶，石墨烯海绵，碳纳米管海绵等，这些材料吸附率高、选择性强且可多次使用，但是由于涉及到价格和工艺、原因，导致这些新型吸油材料大规模化非常困难，限制了其实际应用。另外回收这些吸油材料常采用燃烧的方法，考虑到石油和有机物是重要的可以再次利用的资源，一方面这是一种浪费，另一方面燃烧会造成二次环境污染。

石墨烯气凝胶是分散介质为空气的凝胶，由石墨烯片层交错堆积而成的三维连通多孔结构，该结构可以有效避免常规石墨烯片的过度堆叠，因而石墨烯气凝胶很好地保持了石墨烯的单层(或少数层)结构和相应的性能，具有极高的孔隙率(75-99.9％)、极低的密度(0.001-0.1g cm^-3)和大的比表面积(200-1500m²g^-1)，被广泛用于污水处理等领域。石墨烯气凝胶材料制备的一个主要难点是石墨烯片层相互聚集，导致其密度很难达到最低，继而使其性能和应用范围受到很大局限。氧化石墨烯水热还原法和模板化学气相沉积法(CVD)是目前实现石墨烯气凝胶材料大规模制备的有效方法。水热法虽然能够实现大规模生产石墨烯气凝胶，但是合成的石墨烯气凝胶结构容易坍塌，降低了其应用性能；而CVD方法生长条件苛刻，难以实现石墨烯气凝胶的大批量生产；

本发明提出了一种超疏水石墨烯气凝胶的制备方法，能够克服以上成本高、易碎且难大尺寸大规模制备的问题，目前，国内外公开出版物以及专利尚未见报道。

发明内容

本发明目的在于，为解决现有新型石墨烯吸油材料大规模化非常困难，限制了其实际应用的技术问题，提供了一种成本低廉，合成方法简单，易规模化生产的可挤压、超疏水石墨烯气凝胶材料的制备方法。该方法利用在氧化石墨烯溶液中加入还原剂，通过常压加热还原氧化石墨烯，自组装成三维石墨烯水凝胶结构，并利用定向冷冻干燥的方法，得到石墨烯气凝胶材料，利用长碳链烷氧基硅烷或者氟代长碳链烷氧基硅烷修饰后，得到超疏水石墨烯气凝胶材料。通过本发明所述方法获得的超疏水石墨烯气凝胶材料，具有良好的超疏水性质，较好的机械性质及很容易大规模化生产，具有很好的应用价值和市场前景。

本发明所述的一种超疏水石墨烯气凝胶的制备方法，按下列步骤进行：

a、将氧化石墨烯分散于去离子水中，超声分散形成均一的浓度为2-8mg/mL的氧化石墨烯水溶液；

b、将步骤a所得氧化石墨烯溶液中加入多巴胺0-1.5mg/mL和还原剂为抗坏血酸1-16mg/mL，磁力搅拌均匀，然后倒入容器中并密封之后，放入烘箱中加热，温度60-100℃，保温时间为2-12小时，得到石墨烯水凝胶；

c、将步骤b中得到的石墨烯水凝胶，用去离子水进行浸泡、清洗后，在温度-196℃的条件下进行定向冷冻，得到冷冻样品，然后进行冷冻干燥，得到冷冻干燥样品；

d、将步骤c得到的冷冻干燥样品，放入含有浓度为1-5wt％的长碳链烷氧基硅烷或氟代长碳链烷氧基硅烷材料-乙醇溶液的密闭容器中，在温度50-80℃下反应3-24小时，干燥后即可得到超疏水石墨烯气凝胶。

步骤d中所述长碳链烷氧基硅烷的碳链长度为6-30个碳原子，氟代长碳链烷氧基硅烷的碳链长度为6-30个碳原子。

所述方法获得的超疏水石墨烯气凝胶材料在油水分离中的应用。

本发明所提供的超疏水石墨烯气凝胶材料具有在空气中超疏水(在空气中与水的接触角大于150°)和超亲油(在空气中与油的接触角接近0°)的性质。