[发明专利]一种高导电、高弹性三维石墨烯材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种高导电、高弹性三维石墨烯材料的制备方法，包括：（1）通过水热还原法制备得到三维石墨烯材料；（2）将金属铝粉和三维石墨烯材料分别置于双区真空炉的低温区和高温区，通入一定量的水蒸气后同时升温，设置低温区的温度为150～300℃以及高温区的温度为700～900℃，共同保温2～6小时后，得到所述高导电、高弹性的三维石墨烯材料。

技术领域

本发明涉及一种高导电、高弹性的三维石墨烯材料的制备方法，属于三维石墨烯领域。

背景技术

由于石墨烯具有优异的电子和机械特性，将二维石墨烯纳米片组装成三维结构近年来引起了广泛关注。三维石墨烯结构结合了石墨烯优异的固有特性和三维多孔结构，为石墨烯材料提供了优异的力学性能和快速的电子输运。宏观三维石墨烯材料具有优异的力学和电学性能，在电子、催化器件、传感器和吸附材料等领域引起了广泛的兴趣，发展超低温、超弹性、强机械柔韧性、导电性优良的三维石墨烯的低温简易合成方法，仍然是一个巨大的挑战。

通过氧化石墨烯的自组装，可以通过多种还原方法制备出宏观三维石墨烯材料，由于可以用廉价的石墨粉通过Hummers的方法大量合成，因而成为石墨烯基材料批量生产的一种有前途的候选材料。氧化还原过程可以促进柔性石墨烯纳米片之间π-π堆叠相互作用的三维结构自组装由石墨烯纳米片组装而成的宏观三维多孔石墨烯材料具有强机械强度、高度交联的多孔结构、可逆形变、可调谐电子输运和许多其它优异的性质。这也促进了三维多孔石墨烯材料在传感器、能量储存和转换、催化和环境吸附剂等方面的实际应用。然而，兼具超轻、可逆压缩弹性、强机械强度和高导电特性这几个特点的三维多孔石墨烯材料的制备仍然面临着巨大的挑战。

在氧化石墨烯的还原方法中，使用还原剂和交联剂在中高温(90—200℃)和压力下对GO进行水热化学还原被认为是制备三维石墨烯整体的最常用和最通用的方法。例如以乙二胺为化学还原剂构建三维石墨烯结构，乙二胺的环氧基在氧化石墨烯表面上发生亲核开环反应，发生了有效的自组装^[1]，但其力学性能不足：屈服应力为5.9kPa，最大可逆弹性应变为80％。还有种方法包括羟基、含氧或氮官能团的交联剂可以通过带有氧化石墨烯纳米片的长聚合物链形成许多氢键。例如，聚(乙烯基吡咯烷酮)和聚(环氧乙烷)被用于与氧化石墨烯纳米片形成大量氢键，并且提供了与两个或更多氧化石墨烯纳米片的相互作用^[2],[3]。此外，大量广泛使用的还原交联剂如硼氢化钠、硫化钠、碘化氢、水合肼、对苯二酚等都是有毒有害的。高温高压的实验条件不仅需要昂贵的设备和能源，而且不适合大规模制造。同时，还存在一个存在的问题，即氧化石墨烯的水热化学还原只能部分地去除含氧基团。碳氧摩尔比与氧化石墨烯的还原和共轭程度密切相关，在宏观上对三维石墨烯材料的力学和电学性能有重要影响。因此，我们一直致力于优化环保型还原剂，并开发出一种更简便、更有效的三维石墨烯材料的还原解决方案。为了制备超轻，高弹性，高导电性的三维多孔石墨烯，为在环境保护和储能等方面进一步应用提供了思路。

在高还原度氩气和氢气氛围下的热还原方法也是用于还原氧化石墨烯最常用和有效的方法之一。这种热退火还原方法主要是通过含氧官能团的分解来实现的，其中大部分随着温度的升高而被去除。因此，石墨烯的共轭结构可以得到很大的恢复。一般来说，退火温度越高，碳氧比越高。值得注意的是，高的碳氧比保证了三维石墨烯材料具有良好的电或热传输性能。然而，一些基于柔性衬底的三维石墨烯材料需要优良的电学和机械性能，必须在低温下进行处理。另外，在热退火过程中，其它类型的三维石墨烯材料在高温下会破坏一些三维宏观结构。因此，开发低温超弹性、超弹性、强机械柔韧性、电性优异的三维石墨烯材料的大规模低温合成方法是一个不断发展的要求。

参考文献