[发明专利]高导电性聚合物-碳基复合气凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高导电性聚合物‑碳基复合气凝胶及其制备方法。该高导电性聚合物‑碳基复合气凝胶包括以片状纳米结构排列的碳原子，以及与所述碳原子以共价键相连的聚合物；所述聚合物包含具有至少一个羧基的化合物和具有至少一个醇基的聚合物。该聚合物‑碳基复合气凝胶为聚合物‑氧化石墨烯复合气凝胶或者聚合物‑石墨烯复合气凝胶；具有至少一个羧基的化合物为4‑羧基苯甲醛等，具有至少一个醇基的聚合物为聚乙烯醇、对聚对亚苯基进行羟基的修饰得到的聚合物、对聚对二甲苯进行羟基的修饰得到的聚合物等。本发明的气凝胶使用纯氧化石墨烯或石墨烯，通过共价键与固有导电聚合物结合，大大改善了导电性能，利于实现大规模工业化生产。

技术领域

本发明属于材料化学、纳米技术领域，具体涉及一种高导电性聚合物-碳基复合气凝胶的制备方法。

背景技术

气凝胶是具有高相对表面积和纳米孔径的开孔泡沫结构的三维材料。最常见的气凝胶是二氧化硅气凝胶，它由结合的硅原子和氧原子结合成长链，然后形成随机连接在一起的珠子，并在它们之间形成气穴。

二氧化硅气凝胶是已知密度最低的固体之一，并具有许多潜在的有用性质。然而，与制造二氧化硅气凝胶相关的高生产成本限制了广泛的商业应用，这些应用目前仅限于高价值的军事和航天项目。另一种类型的气凝胶是碳基气凝胶，它由聚集的碳纳米颗粒网络组成。碳气凝胶具有与二氧化硅气凝胶类似的性质，但往往具有优异的机械完整性。纯的碳气凝胶及聚合物复合的碳气凝胶还具有导电性，其导电性取决于密度，值通常在10^-8to 10^-1S/cm范围。碳气凝胶在红外区域具有极强的吸收，仅反射250nm至14.3um之间的0.3％的辐射。此外，由于这种固体只通过窄的原子链传导热量，因此碳气凝胶的导热系数可以低于或等于空气。碳气凝胶的这些特殊特性使其具有许多工业应用，包括脱盐、隔热和/或隔音、太阳能收集、催化剂支持等。

石墨烯是由sp²键合的碳原子组成的单原子厚的平面薄片，密集地堆积在蜂窝状晶格中。石墨烯是一种二维的建筑材料，用于所有其他维度的碳材料。它可以被包裹成富勒烯家族，像纳米管一样卷成一维或者堆叠成三维石墨。石墨烯具有与碳纳米管类似的优异的平面内机械、结构、热和电学性能。以前的研究使用聚合物增强石墨烯材料的结构和机械性能，在这些研究中，使用的聚合物(如聚乙烯醇，PVA)并没有与石墨烯或氧化石墨烯(GO)片层结构相连，形成的聚合物网状结构与实际的碳骨架结构是分离的。

发明内容

本发明提供一种新型的复合碳基气凝胶的制备方法，这种气凝胶使用纯氧化石墨烯或石墨烯，通过共价键与固有导电聚合物结合，大大改善了导电性能，并有可能实现大规模工业化生产。

本发明的气凝胶中的碳原子以片状纳米结构排列，并创造性地通过具有高导电性的固有导电聚合物(intrinsically conductive polymer,ICP)连接在一起。该方法包括采用氧化石墨为原料、在液体中形成氧化石墨的溶胶-凝胶分散体、以及干燥分散体以形成氧化石墨烯气凝胶。该方法还包括将气凝胶中的氧化石墨烯还原为石墨烯。该方法还包括在使用氧化石墨烯形成网络的过程中原位生成新的导电聚合物。

本发明采用的技术方案如下：

一种高导电性聚合物-碳基复合气凝胶，包括以片状纳米结构排列的碳原子，以及与所述碳原子以共价键相连的聚合物；所述聚合物包含具有至少一个羧基的化合物和具有至少一个醇基的聚合物。

进一步地，所述聚合物-碳基复合气凝胶为聚合物-氧化石墨烯复合气凝胶或者聚合物-石墨烯复合气凝胶。

进一步地，所述具有至少一个羧基的化合物为4-羧基苯甲醛，所述具有至少一个醇基的聚合物为下列中的一种：聚乙烯醇、对聚对亚苯基进行羟基的修饰得到的聚合物、对聚对二甲苯进行羟基的修饰得到的聚合物。

一种制备所述高导电性聚合物-碳基复合气凝胶的方法，包括以下步骤：