一種石墨烯復合氣凝膠的制備方法與流程

本發明涉及石墨烯材料技術領域，尤其涉及一種石墨烯復合氣凝膠的制備方法。

背景技術：

目前，石墨烯氣凝膠是以石墨烯為主體的三維多孔網絡結構，它具有石墨烯的納米特性和氣凝膠的宏觀結構，具有很強的機械強度、電子傳導能力和傳質速率，多孔的網絡結構還使它具有極大的比表面積和孔隙率、高的比表面積、超輕的密度，因而近年來受到了多領域的關注，在吸附、工業催化、環保、能源等領域具有廣泛的應用。

為擴展石墨烯氣凝膠的應用，現有技術利用各種方法制備出了含有不同組分的石墨烯復合氣凝膠，如填充碳納米管的石墨烯氣凝膠、氮摻雜的石墨烯氣凝膠、片狀mos2/石墨烯復合氣凝膠、氮化鐵摻雜的石墨烯氣凝膠等，這些石墨烯氣凝膠雖然顯示出了不同的功能或特性，但是由于氣凝膠中含有的組分種類較少，存在著功能或特性單一的缺點。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種石墨烯復合氣凝膠的制備方法，利用該方法制備出的石墨烯復合氣凝膠可復合石墨烯與添加的多種組分的優點，從而使石墨烯氣凝膠具有多種特性和功能。

一種石墨烯復合氣凝膠的制備方法，所述方法包括：

步驟1、將氧化石墨烯分散于去離子水中形成氧化石墨烯分散液；

步驟2、按照實際需要將某一添加成分分散于去離子水中形成該添加成分的分散液；

步驟3、將步驟1和2所得到的分散液混合，經超聲分散或攪拌后得到該添加成分與氧化石墨烯的均勻分散液；

步驟4、將步驟3得到的均勻分散液放入反應容器中，并加入還原劑加熱進行化學還原法還原，得到含有該添加成分的石墨烯復合水凝膠；

步驟5、重復步驟1和2，得到含有另一添加成分的氧化石墨烯均勻分散液；

步驟6、將步驟4得到的石墨烯復合水凝膠放入步驟5的氧化石墨烯均勻分散液中，加入還原劑繼續加熱進行化學還原法還原，從而在步驟4得到的石墨烯復合水凝膠的外圍包裹上含有另一添加成分的石墨烯復合水凝膠；

步驟7、重復步驟5和6，得到同軸電纜型的石墨烯復合水凝膠；

步驟8、將步驟7得到的同軸電纜型石墨烯復合水凝膠放入去離子水或氨水中，浸泡后去除反應殘余雜質；

步驟9、將去除反應殘余雜質后的石墨烯復合水凝膠進行冷凍干燥或超臨界干燥，得到干燥后的同軸電纜型石墨烯復合水凝膠。

所述步驟2和步驟5中的添加成分包括金屬、金屬氧化物及多元金屬氧化物、金屬鹵化物、無機碳材料、碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽中的任意一種或幾種。

在所述步驟3中，所述超聲分散的超聲功率40-1000w，超聲頻率20-80khz；

所述攪拌為磁力攪拌或機械攪拌，轉速為40-4000轉/分。

在所述步驟4和6所加入的還原劑為亞硫酸氫鈉、抗壞血酸、抗壞血酸鈉、水合肼、葡萄糖、硼氫化鈉、氫碘酸、乙二胺中的一種或多種。

在所述步驟8中的氨水質量濃度為5-28％，浸泡時間為1-10天。

在所述步驟9中的冷凍干燥條件包括：

冷凍溫度為-5～-65℃，干燥溫度為-45～10℃，真空度10～110pa，干燥時間為12～96h；

且所述超臨界干燥具體為超臨界二氧化碳干燥。

最終所得到的石墨烯復合氣凝膠的形狀取決于所采用的反應容器形狀，具體為圓柱形、橢圓形、三角形、正方形或長方形。

由上述本發明提供的技術方案可以看出，利用上述方法制備出的石墨烯復合氣凝膠可復合石墨烯與添加的多種組分的優點，從而使石墨烯氣凝膠具有多種特性和功能，克服了石墨烯氣凝膠單一特性的缺點。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發明實施例所提供石墨烯復合氣凝膠的制備方法流程示意圖；

圖2為本發明實施例所得到的同軸電纜型石墨烯復合水凝膠的示意圖；

圖3為本發明實施例所舉出的同軸電纜型石墨烯復合氣凝膠的場發射掃描電鏡示意圖。

具體實施方式

下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。

本發明實施例所制備的同軸電纜型石墨烯復合氣凝膠是由含有某種組分的石墨烯氣凝膠作為“核”，外面包圍幾層含有另外不同添加成分的石墨烯氣凝膠作為“殼”，由此形成同軸電纜型的結構，該復合氣凝膠兼備石墨烯與所添加的多種組分的優點，使得所制備的石墨烯氣凝膠具有多種特性和功能。下面將結合附圖對本發明實施例作進一步地詳細描述，如圖1所示為本發明實施例所提供石墨烯復合氣凝膠的制備方法流程示意圖，所述制備方法包括：

步驟1、將氧化石墨烯分散于去離子水中形成氧化石墨烯分散液；

在該步驟中，氧化石墨烯按照本領域所知的合適方法進行制備，例如hummers法制備。

步驟2、按照實際需要將某一添加成分分散于去離子水中形成該添加成分的分散液；

在該步驟中，所加入的添加成分可以包括金屬、金屬氧化物及多元金屬氧化物、金屬鹵化物、無機碳材料、碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽中的任意一種或幾種。

另外，也可以按照需求不添加任何成分。

步驟3、將步驟1和2所得到的分散液混合，經超聲分散或攪拌后得到該添加成分與氧化石墨烯的均勻分散液；

在該步驟中，所述超聲分散的超聲功率40-1000w，超聲頻率20-80khz；

所述攪拌為磁力攪拌或機械攪拌，轉速為40-4000轉/分。

步驟4、將步驟3得到的均勻分散液放入反應容器中，并加入還原劑加熱進行化學還原法還原，得到含有該添加成分的石墨烯復合水凝膠；

在該步驟中，所加入的還原劑為亞硫酸氫鈉、抗壞血酸、抗壞血酸鈉、水合肼、葡萄糖、硼氫化鈉、氫碘酸、乙二胺中的一種或多種。

步驟5、重復步驟1和2，得到含有另一添加成分的氧化石墨烯均勻分散液；

步驟6、將步驟4得到的石墨烯復合水凝膠放入步驟5的氧化石墨烯均勻分散液中，加入還原劑繼續加熱進行化學還原法還原，從而在步驟4得到的石墨烯復合水凝膠的外圍包裹上含有另一添加成分的石墨烯復合水凝膠；

步驟7、重復步驟5和6，得到同軸電纜型的石墨烯復合水凝膠；

步驟8、將步驟7得到的同軸電纜型石墨烯復合水凝膠放入去離子水或氨水中，浸泡后去除反應殘余雜質；

在所述步驟8中的氨水質量濃度為5-28％，浸泡時間為1-10天。

步驟9、將去除反應殘余雜質后的石墨烯復合水凝膠進行冷凍干燥或超臨界干燥，得到干燥后的同軸電纜型石墨烯復合水凝膠。

在該步驟中，冷凍干燥條件包括：

冷凍溫度為-5～-65℃，干燥溫度為-45～10℃，真空度10～110pa，干燥時間為12～96h；

且所述超臨界干燥具體為超臨界二氧化碳干燥。

具體實現中，最終所得到的石墨烯復合氣凝膠的形狀取決于所采用的反應容器形狀，如圖2所示為本發明實施例所得到的同軸電纜型石墨烯復合水凝膠的示意圖，圖中的石墨烯復合氣凝膠為圓柱形，除了該圓柱形之外，也可以是橢圓形、三角形、正方形或長方形等其他任意形狀。

下面以具體的實例對上述制備方法進行詳細說明：

實施例1、具體步驟如下：

(1)將氧化石墨烯分散于去離子水中形成濃度為2mg/ml氧化石墨烯分散液；

(2)不添加其他組分；

(3)將步驟(1)得到的氧化石墨烯混合分散液加入亞硫酸氫鈉(亞硫酸氫鈉與氧化石墨烯質量比為1:30)，放入反應容器中于95℃還原8h得到石墨烯水凝膠；

(4)另取氧化石墨烯分散于去離子水中形成濃度為2mg/ml氧化石墨烯分散液；

(5)將碳納米管分散于去離子水中形成濃度為3mg/ml的碳納米管分散液；

(6)將步驟(4)和(5)得到的分散液混合，經過機械攪拌得到碳納米管/氧化石墨烯均勻分散液；

(7)將步驟(3)得到的石墨烯水凝膠放入步驟(6)的碳納米管/氧化石墨烯均勻分散液中，并加入亞硫酸氫鈉(亞硫酸氫鈉與氧化石墨烯質量比為1:30)，放入反應容器中于95℃還原8h得到碳納米管/石墨烯復合水凝膠；

(8)另取氧化石墨烯分散于去離子水中形成濃度為2mg/ml氧化石墨烯分散液；

(9)將納米tio2粉體分散于去離子水中形成濃度為30mg/ml的tio2分散液；

(10)將步驟(8)和(9)的分散液混合，經過磁力攪拌得到tio2/氧化石墨烯均勻分散液；

(11)將步驟(7)得到的碳納米管/石墨烯水凝膠放入步驟(10)的tio2/氧化石墨烯均勻分散液中，并加入亞硫酸氫鈉(亞硫酸氫鈉與氧化石墨烯質量比為1:30)，放入反應容器中于95℃還原8h得到tio2/碳納米管/石墨烯復合水凝膠；

(12)將步驟(11)得到的復合石墨烯水凝膠放入28％氨水中，浸泡3天，去除反應殘余雜質；

(13)將步驟(12)得到的石墨烯水凝膠進行冷凍干燥，最終得到tio2/碳納米管/石墨烯復合氣凝膠。

上述所得到的同軸電纜型石墨烯復合水凝膠密度為14mg/cm³，如圖3所示為本發明實施例所舉出的同軸電纜型石墨烯復合氣凝膠的場發射掃描電鏡示意圖，從圖3可知：該同軸電纜型石墨烯復合水凝膠具有高彈性、高比表面積、優異的光催化性能功能。

實施例2、具體步驟包括：

(1)將氧化石墨烯分散于去離子水中形成濃度為3mg/ml氧化石墨烯分散液；

(2)將碳納米管分散于去離子水中形成濃度為3mg/ml的碳納米管分散液；；

(3)將步驟(1)和(2)得到的分散液混合，經過機械攪拌得到碳納米管/氧化石墨烯均勻分散液；

(4)將步驟(3)得到的碳納米管/氧化石墨烯混合分散液加入維生素c(維生素c與氧化石墨烯質量比為1:30)，放入反應容器中于95℃還原8h得到碳納米管/石墨烯水凝膠；

(5)另取氧化石墨烯分散于去離子水中形成濃度為3mg/ml氧化石墨烯分散液；

(6)將mos2納米片分散于去離子水中形成濃度為3mg/ml的mos2分散液；

(7)將步驟(5)和(6)得到的分散液混合，經過機械攪拌得到mos2/氧化石墨烯均勻分散液；

(8)將步驟(4)得到的碳納米管/石墨烯水凝膠放入步驟(7)的mos2/氧化石墨烯均勻分散液中，并加入亞硫酸氫鈉(亞硫酸氫鈉與氧化石墨烯質量比為1:30)，放入反應容器中于95℃還原8h得到mos2/碳納米管/石墨烯復合水凝膠；

(9)另取氧化石墨烯分散于去離子水中形成濃度為2mg/ml氧化石墨烯分散液；

(10)將納米sio2粉體分散于去離子水中形成濃度為20mg/ml的sio2分散液；

(11)將步驟(9)和(10)的分散液混合，經過磁力攪拌得到sio2/氧化石墨烯均勻分散液；

(12)將步驟(8)得到的mos2/碳納米管/石墨烯水凝膠放入步驟(11)的sio2/氧化石墨烯均勻分散液中，并加入亞硫酸氫鈉(亞硫酸氫鈉與氧化石墨烯質量比為1:30)，放入反應容器中于95℃還原8h得到sio2/mos2/碳納米管/石墨烯復合水凝膠；

(13)將步驟(12)得到的復合石墨烯水凝膠放入28％氨水中，浸泡3天，去除反應殘余雜質；

(14)將步驟(13)得到的石墨烯水凝膠進行冷凍干燥，得到sio2/mos2/碳納米管/石墨烯復合氣凝膠。

上述所得到的同軸電纜型石墨烯復合水凝膠具有高彈性、高比表面積、優異的電化學性能。

實施例3、具體步驟包括：

(1)將氧化石墨烯分散于去離子水中形成濃度為2mg/ml氧化石墨烯分散液；

(2)將zno納米棒分散于去離子水中形成濃度為5mg/ml的zno分散液；

(3)將步驟(1)和(2)得到的分散液混合，經過機械攪拌得到zno/氧化石墨烯均勻分散液；

(4)將步驟(3)得到的zno/氧化石墨烯混合分散液加入維生素c(維生素c與氧化石墨烯質量比為1:30)，放入反應容器中于95℃還原8h得到zno/石墨烯水凝膠；

(5)另取氧化石墨烯分散于去離子水中形成濃度為2mg/ml氧化石墨烯分散液；

(6)將ag3po4納米顆粒分散于去離子水中形成濃度為10mg/ml的ag3po4分散液；

(7)將步驟(5)和(6)得到的分散液混合，經過機械攪拌得到ag3po4/氧化石墨烯均勻分散液；

(8)將步驟(4)得到的zno/石墨烯水凝膠放入步驟(7)的ag3po4/氧化石墨烯均勻分散液中，并加入亞硫酸氫鈉(亞硫酸氫鈉與氧化石墨烯質量比為1:30)，放入反應容器中于95℃還原8h得到ag3po4/zno/石墨烯復合水凝膠；

(9)另取氧化石墨烯分散于去離子水中形成濃度為2mg/ml氧化石墨烯分散液；

(10)將納米ag顆粒分散于去離子水中形成濃度為5mg/ml的ag分散液；

(11)將步驟(9)和(10)的分散液混合，經過磁力攪拌得到ag/氧化石墨烯均勻分散液；

(12)將步驟(8)得到的ag3po4/zno/石墨烯水凝膠放入步驟(11)的ag/氧化石墨烯均勻分散液中，并加入亞硫酸氫鈉(亞硫酸氫鈉與氧化石墨烯質量比為1:30)，放入反應容器中于95℃還原8h得到ag/ag3po4/zno/石墨烯復合水凝膠；

(13)將步驟(12)得到的復合石墨烯水凝膠放入28％氨水中，浸泡5天，去除反應殘余雜質；

(14)將步驟(13)得到的石墨烯水凝膠進行冷凍干燥，得到ag/ag3po4/zno/石墨烯復合氣凝膠。

上述所得到的同軸電纜型石墨烯復合水凝膠具有高彈性、高比表面積、優異的抗菌與光催化降解性能。

綜上所述，利用該方法制備出的石墨烯復合氣凝膠可復合石墨烯與添加的多種組分的優點，從而使石墨烯氣凝膠具有多種特性和功能，克服了石墨烯氣凝膠單一特性的缺點；呈現出具有高導電性、金屬離子吸附、有機污染物吸附、光催化降解和超級電容器等多種方面的應用前景。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。