[发明专利]一种双亲性Janus结构石墨烯基气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种双亲性Janus结构石墨烯基气凝胶及其制备方法，将氧化石墨烯溶液喷涂到硫氮共掺石墨烯气凝胶的一面，构建Janus结构，得到双亲性Janus结构石墨烯基气凝胶。该方法制备的Janus结构石墨烯基气凝胶具有超疏水性和超亲水性。这种双亲性的结构可稳定存在于多相界面，如水‑空气，己烷‑空气，己烷‑水和水‑四氯化碳等。该双亲性Janus结构的石墨烯基气凝胶能够从水面快速稳定吸附浮油，能够解决实际应用中超轻碳吸附材料易受风力影响等问题。

技术领域

本发明涉及一种双亲性Janus结构石墨烯基气凝胶的制备方法，属于碳纳米材料改性和油水分离领域。

背景技术

浮油为漂浮于水面的油层，其中海上溢油导致的海洋浮油对海洋的污染日趋严重，海洋浮油使渔业、水产养殖业、旅游业等蒙受重大损失，对大气循环和海洋生态造成巨大影响。海洋浮油的一种处理方式是采用吸收剂进行吸收，现有常用的吸收剂的种类有聚合类吸收剂、天然材料吸收剂以及纤维材料吸收剂。

石墨烯气凝胶具有一种三维网状结构，被称为“超级海绵”，它的主体由石墨烯构成，在保留了石墨烯的纳米特性的前提下，同时又具备了气凝胶的宏观特性。石墨烯基气凝胶具有疏水/亲油、多孔、低密度和化学性质稳定等特点，是良好的吸附材料，可以预期对浮油进行吸附。但是由于该类材料是超轻材料并具有疏水性，易受风力等外界因素的影响，很难在水面稳定漂浮。而且石墨烯气凝胶虽然具有一定的机械强度，但是在水面漂浮时，在风力等外界作用力的侵袭下，容易发生破碎，难以实现对大规模的浮油进行吸附。而且石墨烯气凝胶的吸附性能与材料本身的孔结构、孔容、比表面积和孔径大小有关，现有的石墨烯气凝胶虽然可以对浮油进行吸附，但是吸附性能欠佳。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种双亲性Janus结构石墨烯基气凝胶及其制备方法，该方法制备的Janus结构石墨烯基气凝胶具有超疏水性和超亲水性。这种双亲性的结构可稳定存在于多相界面，如水-空气，己烷-空气，己烷-水和水-四氯化碳等。该双亲性Janus结构的石墨烯基气凝胶能够从水面快速稳定吸附浮油，能够解决实际应用中超轻碳吸附材料易受风力影响等问题。

为了解决以上问题，本发明的技术方案为：

一种双亲性Janus结构石墨烯基气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

将氧化石墨烯溶液喷涂到硫氮共掺石墨烯气凝胶的一面，构建Janus结构，得到双亲性Janus结构石墨烯基气凝胶。

优选的，所述硫氮共掺石墨烯气凝胶的制备方法，包括如下步骤：

1)制备氧化石墨烯、硫脲和水的混合溶液；

2)将步骤1)制备的混合溶液在160-200℃下恒温水热反应，制得硫氮共掺杂石墨烯水凝胶；

3)步骤2)中制得的硫氮共掺杂石墨烯水凝胶经水浸泡、预冷冻、真空冷冻干燥、碳化制得超疏水性能硫氮共掺杂石墨烯气凝胶。

进一步优选的，步骤1)中，混合溶液中，氧化石墨烯的浓度为2-4mg/mL，硫脲的浓度为20-100mg/mL。

进一步优选的，步骤1)中，对混合溶液进行超声处理，使氧化石墨烯和硫脲充分分散。其中的硫脲是作为交联剂和疏水剂，可以增强石墨烯基气凝胶的机械和疏水性能。

进一步优选的，步骤2)中，恒温水热反应的时间为8-12h。

进一步优选的，步骤3)中，硫氮共掺杂石墨烯水凝胶经水浸泡的时间为48-72h，浸泡期间更换几次水。浸泡的作用是去除反应残余的硫脲。

进一步优选的，步骤3)中，预冷冻的温度为-20～-60℃，预冷冻的时间为2～6h。预冷冻的作用是减少冷冻干燥机的能耗，节约时间。

进一步优选的，步骤3)中，真空冷冻干燥的温度为-60～-80℃。