[发明专利]一种石墨烯气凝胶的制备方法及其应用

说明书

本发明首次提出一种基于氧化石墨烯的致密宏观材料，如膜、纤维、无纺布等，利用液体塑化发泡法来制备石墨烯及其复合气凝胶材料，本发明通过合理控制前驱体的结构，便可轻易实现对于气凝胶结构的控制，可得到膜气凝胶、纤维气凝胶、无纺布气凝胶等；此外，此方案的可操作性较强，且易于实施，无须采用冷冻干燥机或超临界干燥机等复杂仪器，因此利于实现气凝胶材料的产业化。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种石墨烯气凝胶制备方法及其应用。

背景技术

气凝胶是一种固体物质形态，世界上密度最小的固体，也被叫做“冻结的烟”。密一般常见的气凝胶为硅气凝胶，其最早由美国科学工作者Kistler在1931年制得。气凝胶的种类很多，有硅系，碳系，硫系，金属氧化物系，金属系，碳系等等。气凝胶是一种由薄壁的互穿网络结构所组成的高度多孔的固体泡沫材料，它们一般具有极低的密度和一个较高的比表面积。

随着2004年石墨烯首次被成功制备得到后，开始收到了许多科研工作者的关注，其中石墨烯气凝胶作为一种重要的石墨烯组装形式，不仅具有一般气凝胶的高比表面积，高孔隙率等性能，且其具有优异的导电性能，在污水处理、海水淡化、新能源电池、电池屏蔽及超级电容器各个方面都具有极为巨大的应用价值。

目前，石墨烯气凝胶主要是由其前驱体氧化石墨烯制备所得，可直接采用氧化石墨烯或其水凝胶通过一定的方法克服干燥过程中溶剂所产生的表面张力，防止结构坍塌，其干燥方式主要分为三种，为冷冻干燥法、超临界干燥法及常压干燥法。但是，现在所有的制备方案都是以水结冰过程中的冰晶作为模板，从而得到气凝胶的内部孔结构，由于结冰的过程较难控制，因此很难得到可控的气凝胶结构，一般得到的石墨烯气凝胶其内部孔多呈现为无序的点对点接触壁搭接，因此最后得到的石墨烯气凝胶的压缩回弹性能较为有限。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯气凝胶的制备方法，其主要是利用气体及液体的作用实现对石墨烯基致密的组装材料进行发泡，从而得到高度多孔的石墨烯气凝胶材料。

本发明的另一个目的在于提供一种石墨烯气凝胶的制备方法，其主要是利用气体及液体的作用实现对石墨烯基致密的组装材料进行塑化发泡，极性溶液降低氧化石墨烯层间作用力，降低发泡阻力；由于致密的石墨烯基材料一般为层层接触的结构，因此经过发泡所得到的石墨烯气凝胶的内部孔多为面对面接触搭接，从而其具有较为优异的机械性能。

本发明的另一个目的在于提供一种石墨烯气凝胶的制备方法，其主要是采用液体塑化发泡的手段，将利用氧化石墨烯组装得到的致密宏观材料，如一维的纤维、二维的膜等，将其转化为三维多孔的气凝胶材料，所得气凝胶的形状及图案可控，易于加工，且所得气凝胶结构可取决于致密宏观材料，因此具有一定的结构可控性，可用于日常生活的中的各种领域，如隔音、隔热、阻尼、吸附及电磁屏蔽等。

为实现本发明目的，本发明提供了一种石墨烯气凝胶的制备方法，该方法为：将由氧化石墨烯层层堆叠组装形成的宏观材料置于含有发泡剂的极性溶液中进行塑化发泡，经干燥便可得到石墨烯多孔气凝胶材料。

本发明层层堆叠组装形成的石墨烯宏观材料包括氧化石墨烯膜、氧化石墨烯纤维、氧化石墨烯无纺布、氧化石墨烯气凝胶。其获得方法为本领域的公知常识。

本发明的发泡剂实现塑化过程中的发泡，包括自发泡剂和反应型发泡剂，所述反应型发泡剂为可通过与氧化石墨烯含氧官能团反应并产生气体的发泡剂，如水合肼、硼氢化盐；所述自发泡剂为可分解产生气体的发泡剂，如碳酸氢盐。

在某些实施例中，水合肼的浓度可以为10%-100%；

在某些实施例中，硼氢化钠的浓度可以为1-100mg/ml；