[发明专利]一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种气凝胶及其制备方法和应用，具体涉及一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯由于其独特的微观结构在力学、电学、光学、催化及环保等领域表现出极佳的性能，自Mikhailov和Liang等研究了石墨烯在电磁波方面的干扰和响应特性，发现石墨烯在X波段电磁干扰效果好，石墨烯电子对频率的辐射具有非线性响应特点以来，目前为止，可从SCI Web of Science检索到近240余篇石墨烯应用于电磁屏蔽与吸波材料的文献，已被中国、美国、俄罗斯、法国、意大利、土耳其、印度和韩国等相关领域的研究者所关注。理论和实践都表明，石墨烯/聚合物纳米复合材料对微波的吸收源于导电损耗、极化作用、界面散射和多重散射的综合作用。

但是根据实际应用要求，低成本高效制备石墨烯仍存在很大挑战，且获得层数少而高质量石墨烯结构的手段仍然有限。2004 年，英国曼彻斯特大学的Geim 研究小组首次制备出稳定的石墨烯，推翻了经典的“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的理论，震撼了整个物理界，引发了石墨烯的研究热潮。目前，研究人员除了在探索制备石墨烯的新途径，还在石墨烯制备原料方面进行了有益地尝试，传统的化学方法制备石墨烯均以鳞片石墨为原料，中科院山西煤化所王俊中、华侨大学陈国华、西南科技大学彭同江所在的课题组以微晶石墨为原料，分别采用电化学剥离法、球磨法和热剥离法制备了微晶石墨烯，拉开了微晶石墨制备石墨烯及应用研究的序幕，这为提升天然微晶石墨的高科技附加值指明了方向，但是，电化学剥离法反应体系复杂，后处理工艺多；热剥离法需要在上千摄氏度的情况下对原料进行剥离后，在保护气氛下进行还原，有时还需用到氢气等危险气体，反应条件复杂，控制难度大；球磨法需要较长的时间，通常都是几十个小时，而且在球磨完成后还需要超声溶解等后续步骤。同时，上述方法制备的都为粉末状石墨烯，不具有宏观及微观三维空间结构，在应用方面受到一定的限制。需要特别指出的是，在军事装备领域由于需要大面积的覆盖，吸收剂生产效率的高低是一个很重要的因素。

石墨烯水凝胶和气凝胶在保留石墨烯优良性能的同时，通过构建三维空间结构一定程度上缓解了石墨烯片层之间容易发生团聚的缺点，能够获得具有比表面积大、机械强度高、电子传导能力优越，且传质快速等优良特性的石墨烯结构改良材料。石墨烯气凝胶的制备主要有模板法以及自组装两种工艺思路，模板法多用于可控制备方面的研究，可以通过控制所用模板的结构特征来控制石墨烯气凝胶的结构，但工艺流程相对复杂，工艺设备要求高，不利于产业化。

CN105097298 A公开了一种利用氧化石墨烯溶液制备石墨烯水凝胶电极的方法，该方法解决了制备超级电容器用石墨烯电极工艺复杂的问题，具有反应条件温和、过程时间短、操作简单能耗低等优点。但是，该工艺方案中存在需要反复使用氯化钡检测硫酸根，氧化石墨烯溶液需经过冷冻干燥后再配成分散液，氧化石墨烯分散液需静置较长时间等影响生产效率的缺点，虽然有利于减少产物内的杂质元素，提升石墨烯产品的纯度，但杂质元素的存在在石墨烯材料应用于某些领域时是有利因素，且该工艺方案不利于石墨烯产品的产业化，同时水凝胶形态下石墨烯的应用受到了一定的限制，不适于在需要隔离水的环境中使用，也容易在使用过程中再次受到污染，导致之前因去除杂质而反复进行的工艺流程失去意义，造成资源和成本的浪费。

CN101602504A公开了一种基于抗坏血酸制备石墨烯的方法，该方法对前人的工艺方案进行了改进，放弃了添加剂的使用，从而杜绝了添加剂对石墨烯后续的应用所产生的不利影响，同时也放弃了使用有毒有害、不利于操作、对环境有严重污染性的水合肼，改用抗坏血酸作为还原剂。但是，该方法中所使用的过滤-洗涤的方法，会在滤纸上留下大量的氧化石墨且很难回收利用，造成资源浪费的同时还产生了额外的副产物，不利于提高生产效率和实现工业化生产；同时该方法中，对酸洗部分以及去离子水都有温度要求，从所控制的较高的温度来看，都需要消耗大量的能源加热，以上两点均不符合建立资源节约型和环境友好型社会的基本国策。更何况，该方法制备的是石墨烯粉末，不具备石墨烯水凝胶或者气凝胶的三维网络结构，无法发挥微/宏观结构对石墨烯产品性能的改良作用，在应用方面受到了一些限制。