[发明专利]一种全碳石墨烯气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种全碳石墨烯气凝胶及其制备方法。具体为，将氧化石墨烯水溶液的pH调节至碱性并加热回流，分离得到黑色粘稠底物；对黑色粘稠底物进行酸化处理并加热回流，降温后离心分离和水洗获得老化氧化石墨烯分散液；再与聚合物水溶液均匀混合，加入戊二醛后加热交联后置于模具中，于液氮中进行定向冷冻，再室温解冻后，加入化学还原剂加热还原，再进行水洗和干燥，并在惰性气氛保护下进行高温热处理，最终得到全碳石墨烯气凝胶。所述全碳石墨烯气凝胶的结构中片层间连接良好，内部孔隙丰富，可承受上千次的压缩‑回弹循环测试，其展现出超轻、超强弹性和高导电等优异特性。

技术领域

本发明涉及石墨烯领域，尤其涉及一种全碳石墨烯气凝胶及其制备方法。

背景技术

石墨烯气凝胶是由石墨烯纳米片层通过π-π作用和疏水作用等交联得到的三维网络结构。该结构不但良好保持了石墨烯纳米片层自身的高导电、高导热等优异特性，同时还具有超低密度、内部孔隙丰富等新优点，在电池、超级电容器、环境污染修复等领域展现出良好的应用前景。

目前化学氧化法制备的氧化石墨烯是大批量廉价制备石墨烯气凝胶的重要原料，但是由于氧化石墨烯片层间交联作用较弱，以氧化石墨烯制备的气凝胶往往结构较脆、机械性能差，难以满足实际应用需求。为增强片层间的交联，国内外研究者大多考虑引入带有氨基、羟基或羧基等小分子、聚合物等作为片层交联剂，从而构建结构强韧的石墨烯复合气凝胶。申请号CN103537236A的中国专利公开了通过聚合物的粘结作用，构建结构稳定石墨烯气凝胶。申请号CN109331751 A的中国专利通过引入两种交联剂包括聚合物纳米纤维和聚乙烯醇，获得具备超强弹性结构的石墨烯基气凝胶。但是，聚合物作为交联剂引入气凝胶结构中，仍有若干问题亟待解决，首先聚合物的大量引入会显著增加得到石墨烯气凝胶的密度；其次，由于聚合物的热不稳定性，聚合物交联的石墨烯气凝胶无法高温热处理，因此获得石墨烯复合气凝胶导电性能不佳；此外，作为交联剂存在聚合物一般不导电，无法成为有效的电子传输通道，会进一步减弱石墨烯气凝胶的导电性能。

综上所述，如何构建一种超轻、超强弹性和高导电的全碳石墨烯气凝胶仍是一个重大挑战，也是本领域科技工作者研究的重要课题之一。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述石墨烯气凝胶构建方法中的关键难题，提供一种超轻、超强弹性、高导电全碳石墨烯气凝胶及其制备方法，该方法制备的全碳石墨烯气凝胶在可穿戴设备和油水分离领域展现出广阔的应用前景。

为实现上述目的，本发明提供一种全碳石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

老化氧化石墨烯分散液的获得：调节氧化石墨烯水溶液的pH至碱性，优选pH为9-12；并加热回流，利用高速离心分离得到下层黑色粘稠底物；随后将所述下层黑色粘稠底物进行酸化处理并加热回流，降温后利用高速离心分离和水洗获得浓度为2mg/mL～10mg/mL的老化氧化石墨烯分散液；

混合溶液的获得：将得到的老化氧化石墨烯分散液与同等浓度的聚合物水溶液均匀混合，再加入戊二醛后加热交联，得到混合溶液；所述老化氧化石墨烯与聚合物水溶液中的聚合物的质量比为1:5～5:1；

石墨烯复合水凝胶的获得：将所得到的混合溶液置于模具中，再将模具放入液氮中进行定向冷冻使安全冷冻，优选冷冻20-40分钟，随后室温解冻后，加入化学还原剂加热还原，得到石墨烯复合水凝胶；

全碳石墨烯气凝胶的获得：将所述的石墨烯复合水凝胶进行水洗和干燥，并在惰性气氛保护下进行高温热处理，最终得到全碳石墨烯气凝胶。

进一步，所述老化氧化石墨烯分散液的获得步骤中，所述氧化石墨烯水溶液中的氧化石墨烯通过Hummers法，改良的Hummers法，Brodie法以及Staudenmaier方法制备得到；

任选的，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为2mg/mL～10mg/mL。