[发明专利]一种铁掺杂褶皱石墨烯气凝胶的高温膨胀制备方法

说明书

本发明提供一种铁掺杂褶皱石墨烯气凝胶的高温膨胀制备方法。首先制备含氧基团层和三氯化铁交替插层石墨材料，放入水溶液中超声剥离，得到可分散在水中的三氯化铁插层氧化石墨烯，进行冷冻干燥，得到三氯化铁插层氧化石墨烯气凝胶，进行高温处理，得到铁掺杂褶皱石墨烯气凝胶。本发明方法有效减轻石墨烯片层结构的破坏，利用高温高效去除含氧基团，并使三氯化铁分解产生气体，使纳米片层能发生褶皱，增加气凝胶的比表面积，增强其机械弹性，铁离子均匀分布在石墨烯片层间，有效提高石墨烯纳米片的导电性，进而提升了气凝胶的导电性。

技术领域

本发明涉及石墨烯气凝胶制备领域，尤其涉及一种铁掺杂褶皱石墨烯气凝胶的高温膨胀制备方法。

背景技术

石墨烯气凝胶是指以石墨烯为主体的三维多孔网络结构，基于其独特的整体性结构、高比表面积以及优异的电导率，赋予了它在电极材料、催化载体以及海水淡化等领域广阔的应用前景，如可用做电化学双层电容器的电极、新型氢存储材料等。溶胶-凝胶法是制备石墨烯气凝胶最常用的方法，但片层凝胶化组装过程不可避免会发生片层的面对面堆垛，最终得到的气凝胶比表面积小，结构较脆、易碎。目前虽有大量研究表明通过引入各式各样修饰结构以及添加物可抑制片层的堆垛，增强气凝胶的机械性能等，然而如何简单地仅通过调控纳米片层自身结构就能达到相同的目的却很难实现。付明来等人通过调控纳米片层上含氧结构的分布，破坏片层表面原本稳定的氢键网络，使纳米片层能在简单的水溶液中发生褶皱，实现片层的自我堆垛抑制，同时研究发现采用该片层构建的气凝胶具有更优异的机械弹性和疏水性。

利用石墨烯制备的导电材料以石墨烯作为主要导电物质，通过相互搭接构建导电通路使材料具有导电性。然而，其导电性与使用金属填料的产品相比还有很大差距，这主要是由于石墨烯纳米片的本征电导率略低而相互之间的接触电阻极高造成的。微观上，物质的电导率是其载流子浓度和迁移率的乘积，石墨烯的载流子迁移率为金属的10倍以上，而载流子浓度仅为金属材料的0.1％～1％，对石墨烯进行掺杂处理可提高载流子浓度和电导率，从而使石墨烯的导电性提高。

发明内容

本发明提供一种铁掺杂褶皱石墨烯气凝胶的高温膨胀制备方法，在高效制备石墨烯的同时，可以有效减小石墨烯片层的破坏，并将铁离子均匀掺入石墨烯片层间，有效提高石墨烯纳米片的导电性。同时，高温处理使三氯化铁以及含氧官能团分解产生气体，使纳米片层能发生褶皱，增加气凝胶的比表面积，增强其机械弹性。

本发明采用如下技术方案：

一种铁掺杂褶皱石墨烯气凝胶的高温膨胀制备方法，包括如下步骤：

(1)运用熔融盐法将无水三氯化铁与石墨混合加热制备二阶石墨插层化合物；

(2)采用氧化剂和浓酸对二阶石墨烯插层化合物进行氧化插层，得到含氧基团层和三氯化铁交替插层石墨的材料；

(3)将含氧基团层和三氯化铁交替插层石墨放入水溶液中超声处理，剥离含氧基团层得到可分散在水中的三氯化铁插层氧化石墨烯；

(4)将三氯化铁插层氧化石墨烯分散液进行冷冻干燥，得到三氯化铁插层氧化石墨烯气凝胶；

(5)保护气氛下，采用高温处理材料，含氧基团层与三氯化铁分解产生气体，得到铁掺杂褶皱石墨烯气凝胶。

步骤(1)中的熔盐法反应温度为400℃，反应时间为4-6小时，无水三氯化铁与石墨质量比为5∶1。

步骤(2)中的氧化剂包括氯酸盐、高氯酸盐、高锰酸盐、重铬酸盐，过氧化钠，浓酸为浓硫酸或者浓硫酸与浓硝酸的混合物，氧化插层时间为4-48h，温度为0-80℃。

步骤(3)中的超声时间为0.5-2h。

步骤(4)中的冷冻干燥温度为＜-30℃，真空度＜20Pa，干燥时间为12-72h。