[发明专利]一种石墨烯/碳微球复合气凝胶的制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯/碳微球复合气凝胶的制备方法，是以氧化石墨烯为前驱体，分散在去离子水中得到其分散液，加入碳微球分散均匀，再加入还原剂柠檬酸铵，水热反应完成液相静电自组装形成石墨烯/碳微球复合凝胶，经透析、冷冻干燥后，制备得到三维网络结构石墨烯/碳微球复合气凝胶。本发明制备方法有效抑制了石墨烯片组装过程中的堆积，制备的复合气凝胶兼具零维和二维碳各自优异的孔隙结构、低密度、高比表面积、机械稳定性和表面易官能化等特性，同时具有更加丰富的梯级孔结构，是一种超弹性、超轻石墨烯/碳微球复合气凝胶。

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备技术领域，涉及一种碳气凝胶，特别是涉及一种石墨烯/碳微球复合气凝胶的制备方法。

背景技术

碳气凝胶是一种轻质、具有连续三维网络结构的块状多孔纳米碳材料。其网络结构一般由相互交联的纳米颗粒或纳米片层所组成，颗粒或片层内部的孔隙主要是微孔，颗粒与颗粒之间、片层与片层之间则大多是2nm以上的中孔或大孔，总体表现出微孔、中孔和大孔复合的梯级孔结构特征。

传统的碳气凝胶通常由颗粒相互交联构筑而成。而石墨烯气凝胶则是由二维晶体石墨烯卷曲、折叠并交联形成，因此，石墨烯气凝胶表现出更加丰富的孔隙结构特征。由于石墨烯良好的凝胶化性能，相比于传统碳气凝胶的制备，石墨烯气凝胶的制备效率更高、制备过程更加简洁。此外，石墨烯气凝胶具有很好的热稳定性和化学稳定性，可以增强材料的抗腐蚀性，提高材料寿命。这些特性也使得石墨烯气凝胶更具有实用价值。

然而，在制备石墨烯气凝胶的过程中，由于溶液中的石墨烯纳米片层之间具有较强的相互作用(π-π键作用和范德华力)，因此易于发生层间堆叠和不可逆团聚，导致所制备石墨烯气凝胶的孔结构性能不理想。同时，制备的石墨烯气凝胶脆性较大，机械性能不佳，也限制了其的应用领域。

Qiu等[L. Qiu, Z. Liu, L. Y. Chang, Y. Z. Wu, D. Li, Nature Communications, 2012, 3: 1241.]经多步法制备超轻可回弹石墨烯气凝胶，但繁杂的制备过程限制了生产效率，且该气凝胶仅具有80%的回弹性。

CN 106517160A以十二烷基硫酸钠为发泡剂，借助其搅拌过程释放的气泡为模板，制备了超弹性的石墨烯气凝胶，克服了石墨烯片层严重堆积和结构脆性较大等不足。但该方法在制备过程中需要加入表面活性剂，致使石墨烯片层上附着两亲分子，占据表面的有效作用位点，且块体密度较大。

发明内容

本发明的目的是解决由单一碳源制备碳气凝胶孔结构性能不理想和机械性能低下等问题，提供一种超弹性、超轻石墨烯/碳微球复合气凝胶的制备方法。

本发明所述石墨烯/碳微球复合气凝胶的制备方法是以氧化石墨烯为前驱体，分散在去离子水中得到其分散液，加入碳微球分散均匀，再加入还原剂柠檬酸铵，水热反应完成液相静电自组装形成石墨烯/碳微球复合凝胶，经透析、冷冻干燥后，制备得到碳微球与石墨烯片层互为支撑的三维网络结构石墨烯/碳微球复合气凝胶。

本发明上述制备方法中，所述氧化石墨烯与碳微球的用量质量比为1∶(0.5～3)。

进而，所述还原剂柠檬酸铵的用量为氧化石墨烯质量的0.1～10倍。

本发明上述制备方法中，优选采用超声处理方式将所述氧化石墨烯分散在去离子水中形成水分散液。

进一步地，本发明是优选将氧化石墨烯分散在去离子水中制备浓度为2～5mg/mL的氧化石墨烯水分散液。

本发明上述制备方法中，所述水热反应是在120～180℃下进行的。

优选地，所述水热反应时间为2～12h。