[发明专利]一种耐高温弹性石墨烯气凝胶材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种耐高温弹性石墨烯气凝胶材料的制备方法，包括：由氧化石墨烯溶液、还原剂、表面活性剂和高温相变材料制备前驱体泡沫；通过水热还原反应制得石墨烯湿凝胶；依次进行定向冷冻和冷冻干燥，制得石墨烯气凝胶；利用含硅前驱体和催化剂溶液在石墨烯气凝胶的表面生长出二氧化硅纳米薄膜；进行热退火，制得耐高温弹性石墨烯气凝胶材料。本发明还提供了由所述方法制得的耐高温弹性石墨烯气凝胶材料。本发明制得的石墨烯气凝胶的孔结构尺寸在50～200μm之间，孔壁厚度2～10μm，骨架结构强壮，孔径分布均一，具有优异的弹性(压缩50％时回弹率90％)；由于含有高温相变材料并且具有二氧化硅薄层，不易氧化，能够在高温环境中使用。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种耐高温弹性石墨烯气凝胶材料及其制备方法。

背景技术

美国Lawrence Livemore国家实验室最早制备出石墨烯气凝胶，其兼具了石墨烯所特有的理化性质与气凝胶独特的结构特性，是一种具有高比表面积、高孔隙率、良好的导电与导热性以及优异机械强度的新型纳米功能材料，近年来在能源存储与转换、催化、吸附及传感等领域受到越来越多研究者的广泛关注。

石墨烯气凝胶的制备通常是以氧化石墨烯(GO)为前驱体，后经一定的还原方法(例如水热还原法、化学还原法等)处理得到石墨烯凝胶，进而通过冷冻干燥或二氧化碳超临界干燥得到石墨烯气凝胶。石墨烯气凝胶体材料通常是脆性的，在压缩的情况下容易碎裂，不利于真正投入到工程化实际应用当中。因此，近年来，回弹性石墨烯气凝胶的开发和研制尤为引人注目。

在与回弹性石墨烯气凝胶有关的研究工作中，有的通过在石墨烯片层之间引入桥连剂分子(如乙二胺、硼酸、硅氧烷、聚乙烯醇、聚脲、金属离子等)来制备弹性石墨烯气凝胶，有的通过调节石墨烯气凝胶结构的有序性来构建具有三维有序多孔结构的组装体，从而实现弹性石墨烯气凝胶的制备。例如，浙江大学柏浩教授团队采用双向冷冻技术，首先使冰晶成核，再使其沿垂直和水平两个方向的温度梯度进行生长，氧化石墨烯片层在两个方向上平行组装，形成类似再力花茎干的3D微结构，随后经过冷冻干燥和热还原得到仿生石墨烯气凝胶。通过电镜表征，这种石墨烯气凝胶片层的厚度为1-5μm，连接桥的长度为10-30μm，且内部含有许多大孔。这种具有高度有序大孔结构的仿生石墨烯气凝胶展现出非常高的强度和回弹能力，强度与弹性测试发现其能承受超过自身重量6000倍的压力，压缩50％的条件下回弹性达95％以上，在压缩1000次以上之后，仍能保持初始强度的85％。

然而，石墨烯气凝胶在高温有氧环境下往往会发生严重的氧化，造成结构毁灭性破坏，从而大大限制了其应用。这种氧化通常从350℃开始发生。通过结构和组成改性，可在一定程度上提升其抗氧化性能。例如，美国Lawrence Livemore国家实验室制备了高度晶化石墨烯气凝胶，其在2500℃的惰性气氛下进行热处理，比表面积和孔结构得到很好地保留，但是在超过800℃的空气气氛下气凝胶结构基本被破坏。

因此，如何进一步提高弹性石墨烯气凝胶的抗氧化性能，提高其对高温有氧环境下的耐受力，推广其在高温领域的应用，是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种耐高温的、弹性性能优异的石墨烯气凝胶材料及其制备方法，以解决现有技术中弹性石墨烯气凝胶在高温下抗氧化性能不足等问题。本发明方法制备的石墨烯气凝胶具有优异的弹性，可以将石墨烯气凝胶的耐温性在空气气氛条件下从800℃提升到1000℃，极大地拓展了石墨烯气凝胶在高温有氧环境下的应用范围。

为了实现上述目的，本发明在第一方面提供了一种耐高温弹性石墨烯气凝胶材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将氧化石墨烯溶液、还原剂、表面活性剂和高温相变材料搅拌混合均匀，得到前驱体泡沫；

(2)将所述前驱体泡沫进行水热还原反应，得到复合了高温相变材料的石墨烯湿凝胶；