[发明专利]一种孔隙尺寸可调的石墨烯气凝胶的制备方法

说明书

一种孔径尺寸可调的石墨烯气凝胶的制备方法。所述的石墨烯气凝胶由氧化石墨烯通过还原冷冻方法制备，具有孔径尺寸可调范围为5‑240μm、弹性模量最高327kPa、可以吸附有机溶剂等特点；在冷冻步骤中所使用的冷冻设备由冷却系统和测温系统组成，还原冷冻温度区间为‑10℃至‑196℃，每秒钟降温0.2℃至20℃。本发明利用冰晶作为模板精确调控气凝胶形貌，获得不同孔径尺寸的石墨烯气凝胶。在高速冷冻条件下制备的小孔径石墨烯气凝胶具有极高的力学性能和导热导电性能，可以用于催化、电池领域。在低速冷冻条件下制备的大孔径石墨烯气凝胶具有极高的定向吸附性能，可以用于污水处理。在超低速冷冻条件下制备的超大孔径石墨烯气凝胶具有极高的压缩回复性能，可以用于压力传感器。

技术领域

本发明属于碳材料技术领域，特别涉及一种孔径尺寸可调的石墨烯气凝胶的制备方法。

技术背景

石墨烯作为一种新型的二维碳材料，因具备优异的物理性能和极高的比表面积而受到广泛的关注。将石墨烯制成多孔的气凝胶块体材料，可以进一步拓宽其应用领域。石墨烯气凝胶结合气凝胶的超低密度和石墨烯的优异物理性能，在催化、电化学、污水处理、传感等领域具有性能优势。

目前，石墨烯气凝胶的制备方法存在较大不足，由于无法精确调控石墨烯气凝胶的形貌从而限制其性能提升。在常用的制备方法中，水热法结合自组装和还原过程将石墨烯片层组装成三维结构[1,2]，但是无法制备出高度有序且孔径尺寸可调的多孔结构。化学沉积法可以制备出高热导率的石墨烯气凝胶[3,4]，但是其形貌受限于沉积基体的形貌，从而限制了该方法的推广应用。冰模板法通过冰晶的形核和生长调控石墨烯气凝胶的形貌[5,6]，但是受限于冷冻条件难以控制，目前使用冰模板法很难精确调控石墨烯气凝胶的形貌。另一方面，超低的密度和多孔结构导致石墨烯气凝胶的力学性能较差。常规的强化方式或是大幅提高气凝胶的密度[7]，或是改变气凝胶的化学性质[8]，这都会降低石墨烯气凝胶本身的性能优势，无法满足现有需求。

发明内容

针对现有技术存在的上述两个问题，本发明提供了一种孔径尺寸可调的石墨烯气凝胶及其制备方法，通过控制样品制备的冷冻环境以调控冰模板的形核和生长，并借助冰模板来控制石墨烯气凝胶的形貌，在不同冷冻条件下制备的石墨烯气凝胶显示出不同方面的性能优势。本方法操作简单、成本较低，而且不改变石墨烯气凝胶的密度和化学性质，可以直接结合现有制备方法。

一种孔径尺寸可调的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，所述的石墨烯气凝胶由氧化石墨烯通过还原冷冻方法制备，具有孔径尺寸可调范围为5-240μm、弹性模量最高327kPa、可以吸附有机溶剂等特点；在冷冻步骤中所使用的冷冻设备由冷却系统和测温系统组成，还原冷冻温度区间为-10℃至-196℃，每秒钟降温0.2℃至20℃。。

如上所述的孔径尺寸可调的石墨烯气凝胶制备方法，包括以下步骤：

(1)制备氧化石墨烯悬浮液，取石墨片加入少量硝酸钠，于冰浴中加入浓硫酸，搅拌数小时后缓慢加入少量高锰酸钾，并在恒温水浴下搅拌；缓慢加入低温去离子水，冷却至室温后缓慢滴加少量的双氧水并搅拌一段时间；加入少量的浓盐酸并静置12h以上，沥去上清液，该过程重复两次，将剩下的暗黄色的悬浮液转入透析袋中进行透析，直到PH值大于6，该过程持续4天以上，在8000-10000rpm转速下多次离心分散去除未氧化的石墨，取出上清液即为氧化石墨烯悬浮液；所述反应过程中所用的石墨片、硝酸钠、浓硫酸、高锰酸钾、双氧水的量，按质量比计算，即石墨片:硝酸钠:浓硫酸:高锰酸钾:20～40％的双氧水水溶液为4～5.5:0.8～1.2:240～270:19～22:19～22；

(2)将适量的抗坏血酸和的氧化石墨烯悬浮液放入的玻璃烧杯中超声搅拌混合均匀后，将烧杯密封放入箱式电阻炉中在50℃至90℃下反应一小时以上，形成圆柱型石墨烯水凝胶；使用足量的去离子水对石墨烯水凝胶进行离子置换并滤掉残余杂质；