[发明专利]一种杂多酸催化快速制备石墨烯气凝胶的方法

说明书

一种杂多酸催化快速制备石墨烯气凝胶的方法，所述方法为：将磷钼酸溶液和芳香胺溶液混合均匀，得到混合液，随后将氧化石墨烯分散液加到所述混合液中，静置，得到石墨烯水凝胶；将所得石墨烯水凝胶用水浸泡清洗后进行预冷冻，之后冷冻干燥，得到所述石墨烯气凝胶；该方法制备工艺简单，易于操作，耗时短，耗能低，所用原料来源广泛，价格较低廉，可大规模生产不同尺寸石墨烯气凝胶块体，并且所获得的石墨烯气凝胶在超级电容器电极方面表现出优异性能。

(一)技术领域

本发明涉及一种杂多酸催化快速制备石墨烯气凝胶的方法。

(二)背景技术

石墨烯气凝胶作为一种新型三维材料已经引起了很大的重视，其主要是由石墨片在三维空间上相互交错相连构成。石墨烯气凝胶具有密度小(1～50mg/cm³)，孔隙率高(50％)，比表面积大，力学性能好，导电性良好和化学稳定等特点。其可用作清洁能源存储如氢气、天然气的介质材料和电能存储如超级电容器的电极材料，在多相催化、污水处理和传感器等领域同样也有重要应用前景。

石墨烯气凝胶一般由石墨烯水凝胶经过低温冷冻干燥或超临界干燥等技术制备得到，而其结构、性能、制备周期和成本受石墨烯水凝胶的影响非常大。石墨烯水凝胶制备方法已被许多文章和专利报道过，一般为水热法。然而水热法存在耗时久、耗能高等问题，不符合快速规模化生产要求。例如宋溪明等在专利CN1068428246A中报道了“一种三维结构石墨烯气凝胶复合物及其制备方法和应用”，其采用水热法制备，但其耗时久(12～18小时)、耗能高(120～180℃)，且一般需在高温高压下合成，不适合大面积生产，无法实际应用。再例如刘琛阳等在CN106422995A中公开了“一种石墨烯气凝胶和其杂化复合材料及其制备方法与应用”，其采用较为温和的油浴加热方法(70～100℃)，但需要反复油浴长达18小时，同样存在耗能高时间久的问题。因此开发一种新的制备石墨烯水凝胶的方法以克服上述方法的缺点就显得非常有意义和竞争力。

杂多酸(简称POMs)是由杂原子(如P、Si、Fe、Co等)和金属原子(如Mo、W、V、Nb、Ta等)通过氧原子配位组成的一类含氧多酸，其稳定性较好，具备较强的酸性和氧化还原性，同时具备较高的催化活性，可用作芳烃烷基化和脱烷基反应、酯化反应、脱水/化合反应、氧化还原反应以及开环、缩合、加成和醚化反应等，是一类新型的绿色催化剂。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种过程简单、环保、成本低廉，在室温条件下快速制备石墨烯气凝胶的方法。与其他同类方法相比，采用本发明方法制备石墨烯气凝胶的时间非常短(通常在1分钟以内)。

本发明方法选用合适的杂多酸(磷钼酸，是一种最常见的杂多酸)、芳香胺(对苯二胺、2,6-二氨基吡啶、三聚氰胺或2,6-二氨基嘌呤)与氧化石墨烯发生聚合反应，从而使氧化石墨烯片层快速交联在一起，得到稳定的三维空间网状结构石墨烯气凝胶。其中，杂多酸作为绿色催化剂引发芳香胺(对苯二胺、2,6-二氨基吡啶、三聚氰胺或2,6-二氨基嘌呤)发生聚合反应，形成多聚物。当加入氧化石墨烯后，杂多酸又作为质子酸催化剂促进芳香胺与氧化石墨烯发生酰胺化反应，从而将氧化石墨烯片层交联在一起，形成分级多孔结构。该方法制备工艺简单，易于操作，耗时短，耗能低，所用原料来源广泛，价格较低廉，可大规模生产不同尺寸石墨烯气凝胶块体，并且所获得的石墨烯气凝胶在超级电容器电极方面表现出优异性能。

本发明的技术方案如下：

一种杂多酸催化快速制备石墨烯气凝胶的方法，所述方法为：

(1)将磷钼酸溶于水中，配制成0.01～0.05mmol/mL(优选0.0125mmol/mL)的磷钼酸溶液；将芳香胺溶于水中，配制成0.1～0.5mmol/mL(优选0.125mmol/mL)的芳香胺溶液；将磷钼酸溶液和芳香胺溶液混合均匀，得到混合液，随后将1～6mg/mL(优选5mg/mL)的氧化石墨烯分散液加到所述混合液中，静置(1～60min)，得到石墨烯水凝胶；