CN103303908A - 一种石墨烯凝胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于功能材料的领域，具体涉及一种石墨烯凝胶及其制备方法。将氧化还原法制得的石墨烯与表面活性剂以一定的配比机械研磨后，形成均匀分散的凝胶，凝胶中石墨烯的质量高达1%。rGO–PEG形成物理凝胶，其不发生流动，这个性质可以由动态机械分析得到。在γ=1%和γ=10%下，储能模量（G’）在整个角频率范围内基本是平的，G’总比损耗模量（G”）高很多，在整个频率范围内G”并没表现出任何松弛，这表明rGO–PEG混合物是一种凝胶。物理胶至少含有两相，固相和液相，固相形成三维网络结构包围着液相，石墨烯凝胶形成是由于网状结构的石墨烯和非离子型表面活性剂的范德华插层作用。

Description

一种石墨烯凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种石墨烯凝胶及其制备方法。物理胶至少含有两相，固相和液相，固相形成三维网络结构包围着液相。石墨烯凝胶形成是由于网状结构的石墨烯和非离子型表面活性剂的范德华插层作用。

背景技术

由于石墨烯独特的二维原子结构，独特的电学、热学、机械性能，引起了材料领域新一轮的研究高潮。石墨烯在各种领域都具有广阔的应用前景，包括复合材料、电学器械、生物材料。虽然对石墨烯的研究已经取得了重大的成果，但由于其在溶液中溶解度很低，其应用仍受其困难的加工处理过程限制。许多方法用来制备均匀分散的石墨烯，包括利用-COO-、--SO₃-负电荷静电推力分散石墨烯片层，使用二氯甲烷、氯仿、甲苯作为媒介分散石墨烯片层。

然而，这些方法需要在引入离子、高能反应或机械超声。他们不但改变了石墨烯的物理性质而且还使石墨烯产生很多瑕疵。因此，大规模地处理石墨烯仍然任重道远。有效地处理石墨烯仍然是重要的研究课题。Fukushima et al.^[1,2] 用离子液体分散碳纳米管，制成碳纳米管凝胶，为大规模地过程处理碳纳米管开辟了一个新途径。将碳纳米管和离子液体混合后通过机械研磨制成巴基胶，通过流变性能检测巴基胶的形成。石墨烯和离子液体形成凝胶是由于两者间的阳离子-π或者范德华插层反应，用这种方法分散石墨烯的石墨烯可以用在触动器、电化学、生物等领域。

与用离子液体分散碳纳米管形成凝胶的研究相仿，我们发现用机械研磨法制备石墨烯和表面活性剂悬浮剂，然后将溶液离心倒掉上层多余的活性剂能形成石墨烯凝胶。

这里，我们报道用机械研磨法制备石墨烯/非离子型表面活性剂凝胶。凝胶形成是由于石墨烯网状结构以及石墨烯和非离子型表面活性剂的范德华插层作用。我们发现，通过刮刀法将此石墨烯凝胶刮涂在玻璃基体上，然后利用非离子型表面活性剂和石墨烯热稳定性差异，用加热法除去非离子型表面活性剂，形成石墨烯薄膜。此法能大规模生产石墨烯薄膜，而且此薄膜和基地具有很好的粘结性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯凝胶及其制备方法。

本发明提出的一种石墨烯凝胶，所述石墨烯凝胶由石墨烯和非离子型表面活性剂组成，其中：石墨烯与非离子型表面活性剂的质量比为1:100；所述非离子型表面活性剂是聚已二醇（PEG）。

本发明提出的石墨烯凝胶的制备方法，通过化学氧化还原法制备石墨烯，再通过机械研磨法制备石墨烯凝胶。具体步骤如下： 

（1）所述石墨烯由石墨通过氧化还原法制得，将石墨通过hummer’方法氧化，然后用金属Zn粉在酸性、超声条件下快速还原；

（2）在步骤（1）所得的产物中加入非离子型表面活性剂，通过机械研磨20min，使石墨烯在非离子型表面活性剂中均匀分散，将所得物离心除去上层多余的非离子型表面活性剂，得到下层rGO/PEG凝胶。

本发明所述的石墨烯凝胶中，所述的石墨烯凝胶中，网状结构的石墨烯能和非离子型表面活性剂通过范德华插层作用形成物理凝胶。用非离子型表面活性剂和石墨烯热稳定性差异，加热法除去非离子型表面活性剂，形成石墨烯薄膜。

本发明的效益在于：形成一种石墨烯凝胶，凝胶中石墨烯均匀分散且质量高达1%，此凝胶可作为染料敏化太阳能电池对电极及其他电学器件的前驱体。

附图说明

图1. rGO/PEG凝胶SEM图。

图2. rGO/PEG 凝胶动力学机械分析， 使用应力放大 (γ) 1% 和10%.，G’ 和G” 分别是储能模量和损耗模量。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1：制备石墨烯/ PEG凝胶

用hummer’方法氧化天然石墨，接着用Zn粉在超声条件下还原，制成氧化石墨烯（rGO）。 取5mg rGO放在研磨机中加入2ml PEG 机械研磨20min后将其装入离心管，在Profuge 14D离心机中以10,000 rpm的转速离心10min后再以同样地条件离心一次。最后，用吸管吸取上层离心出来多余的PEG，得到下层石墨烯凝胶。石墨烯凝胶中，石墨烯：PEG=1:100（质量比）。

rGO–PEG混合物是物理凝胶不会流动，这个性质可以由动态机械分析得到，见图1。在γ = 1% 和 γ = 10%下，储能模量(G’)在整个角频率范围内（0.1到100rads^-1）基本是平的，其G’总是比损耗模量(G”)高很多，在整个频率范围内G”并没表现出任何松弛，这表明rGO–PEG混合物是一种凝胶。物理胶至少含有两相—固相和液相，各种材料都可以作为固相，例如聚合物、有机分子，固相形成三维网络结构包围着液相。由于rGO韧性好、具有波纹型结构，在rGO–PEG凝胶中作为三维固相网状结构。rGO是疏水性的基团能和PEG中-CH₂-疏水性基团通过范德华相互作用力插层作用。由于–OH基团有氢键，PEG分子间能相互支撑着。其固相网状结构可以从SEM图中看出，见图2。SEM图表明机械研磨可以剥离分散rGO。

Claims (2)

1.一种石墨烯凝胶，其特征在于所述石墨烯凝胶由石墨烯和非离子型表面活性剂组成，其中：石墨烯与非离子型表面活性剂的质量比为1:100；所述非离子型表面活性剂是聚已二醇。

2.一种如权利要求1所述的石墨烯凝胶的制备方法，其特征在于，通过化学氧化还原法制备石墨烯，再通过机械研磨法制备石墨烯凝胶；具体步骤如下： 

（1）所述石墨烯由石墨通过氧化还原法制得，将石墨通过改进后hummers’方法氧化，然后用金属Zn粉在酸性、超声条件下快速还原；

（2）在步骤（1）所得的产物中加入非离子型表面活性剂，通过机械研磨20min，使石墨烯在非离子型表面活性剂中均匀分散，将所得物离心除去上层多余的非离子型表面活性剂，得到下层rGO/PEG凝胶。

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