[发明专利]铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜、其制备方法及应用。所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜具有连续、规整有序的石墨烯三维多孔网络结构和铆钉结构，所述三维多孔网络结构由石墨烯片层相互搭接构成，所述铆钉结构由羟基氧化铁纳米纤维桥接和贯穿石墨烯片层复合而成。所述制备方法包括：利用湿法纺膜辅助的溶胶‑凝胶制备技术，制得铆钉结构石墨烯复合水凝胶薄膜，再进行溶剂置换和干燥处理，获得铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜。本发明的铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜具有较好的机械强度，优异的亲水性，同时能组装成水伏学器件，实现高效盐水发电，且制备工艺简洁，反应条件温和，易操作，成本低，绿色无污染，可实现连续化生产。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯复合气凝胶薄膜的制备方法，尤其涉及一种铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜及其制备方法与应用，属于纳米能源技术领域。

背景技术

气凝胶是通过溶胶-凝胶法和采用特殊的干燥工艺(如超临界流体干燥)，形成一种分散介质为气体的、具有连续三维多孔网络结构的低密度固体材料。自1932年，美国化学家Kistler首次利用超临界流体干燥技术制备得到氧化硅气凝胶，随后，气凝胶作为材料家族的新成员受到人们的关注及研究。随着气凝胶研究手段的不断丰富和基础研究的不断深入，时至今日，越来越多的新型气凝胶不断涌出，气凝胶已经从最初的SiO₂气凝胶发展成为庞大的气凝胶家族。如氧化物气凝胶、碳化物气凝胶、氮化物气凝胶、石墨烯气凝胶、量子点气凝胶、聚合物基有机气凝胶、生物质基有机及碳气凝胶等其他种类气凝胶，极大的丰富了气凝胶的家族，扩展了气凝胶的研究领域及应用方向。气凝胶材料具备低密度、高比表面积和高孔隙率等结构特性，使其具有耐高温、低热导率、低折射率和低声传播速度等特殊的光、热、声、电性能，进而在隔热保温、吸附分离、生物医用、光-电催化、储能转化、吸声隔音及高能粒子捕获等诸多领域有着广阔的应用前景，吸引了科研、生产、设计等领域的广泛关注，成为当前材料科学的重点研究领域之一。

石墨烯气凝胶薄膜一般是由氧化石墨烯还原成石墨烯并通过自组装而来的具有三维多孔网络结构的宏观膜材料。具有高比表面积、高孔隙率、优异导电性能及电化学行为的材料。氧化石墨烯具有较为良好的凝胶化特性，在制备石墨烯气凝胶过程中，可引入交联剂黏附在氧化石墨烯层上，与其它相邻的层相互连接，形成化学交联来调整石墨烯气凝胶的空间结构与性质。氧化石墨烯凝胶常用的有效交联剂有蛋白质、小分子季铵盐类、DNA、金属离子和具有氢键受体和阳离子电荷的合成聚合物等。这些交联剂可以调节以氧化石墨烯为基础的胶体体系，通过疏水作用、氢键的平衡和静电排斥，形成水凝胶，进而通过干燥技术制得气凝胶。但一般这种方法形成的石墨烯片层搭接的气凝胶结构力学性能和结构稳定性都不足，极大限制了石墨烯气凝胶薄膜的应用拓展。

鉴于气凝胶的快速发展和石墨烯气凝胶薄膜功能的受限，迫切需要和提出一种结构新颖和功能优异的气凝胶薄膜的制备方法。例如，四氧化三铁和氧化石墨烯复合气凝胶材料(CN104479174A)和基于纳米四氧化三铁的磁性纤维素和氧化石墨烯复合气凝胶(CN109535485A)，但控制合成特殊结构的石墨烯功能化气凝胶薄膜还具有一定挑战。

因此，如何寻求一种合成特殊新颖结构和功能优异的石墨烯功能化气凝胶薄膜的新技术，进而实现操作工艺简单、周期短和成本低的目的，将石墨烯气凝胶薄膜的应用推向新的高度，更好服务社会需求，已然成为业界研究人员长期以来一直努力的方向。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

本发明的另一目的还在于提供所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜，它具有连续、规整有序的石墨烯三维多孔网络结构和铆钉结构，所述三维多孔网络结构由石墨烯片层相互搭接构成，所述铆钉结构由羟基氧化铁纳米纤维桥接和贯穿石墨烯片层复合而成。