CN103601913A - 一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶及制备方法 - Google Patents

一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103601913A
CN103601913A CN201310572203.3A CN201310572203A CN103601913A CN 103601913 A CN103601913 A CN 103601913A CN 201310572203 A CN201310572203 A CN 201310572203A CN 103601913 A CN103601913 A CN 103601913A
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene
aerogel
polypyrrole
hydridization
preparation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201310572203.3A
Other languages
English (en)
Inventor
冯嘉春
叶士兵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fudan University
Original Assignee
Fudan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fudan University filed Critical Fudan University
Priority to CN201310572203.3A priority Critical patent/CN103601913A/zh
Publication of CN103601913A publication Critical patent/CN103601913A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明属于纳米材料和技术领域，具体涉及一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶及其制备方法。其特征在于该杂化气凝胶以制备方便的氧化石墨烯(GO)及聚吡咯纳米管(PNT)为起始材料，通过GO/PNT混合液的冷冻干燥和GO/PNT气凝胶高温热处理等步骤而制得。本发明的方法简单易行，原材料便宜易得，容易实现大规模制备。所得气凝胶具有多孔性、高导电性等特点，在超级电容器电极、油水分离等领域具有广阔的应用价值。

Description

一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶及制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料和技术领域，具体涉及一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶及其制备方法和应用。该气凝胶是由氧化石墨烯(GO)和聚吡咯纳米管(PNT)为原料复合而得，制备方法主要涉及GO/PNT混合溶液的制备、冷冻干燥及GO/PNT气凝胶高温热处理等关键步骤。本发明制备的气凝胶具有多孔性、高导电性等特点，可以用于超级电容器电极材料；同时，高温煅烧的气凝胶显示了超强的疏水性，有利于其在油水分离等方面的应用。本发明提供的石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶的制备方法简单易行，重复性好，原材料便宜易得，便于实现大规模制备。
背景技术
石墨烯是一种sp2杂化共轭碳原子的二维、单层薄片，由于其优异的电学、热学和机械性能而受到广泛关注。然而，将纳米级的石墨烯从科学概念转化为现实技术及材料，特别是将石墨烯组装成宏观材料并发挥其特有的高性能，仍然具有挑战。石墨烯气凝胶是最具潜力的三维石墨烯材料之一，它具有高孔隙率、高比表面积和高导电性，因而在能量存储、化学催化、油水分离等领域广泛应用。为了满足人们对先进材料多功能性的日益增长的要求，通常将石墨烯与另一类纳米材料(包括有机高分子、无机纳米粒子、碳纳米管等)复合制备出具有特殊结构和性能的新型石墨烯基杂化气凝胶。目前，用于制备高质量石墨烯基杂化气凝胶的最常用的技术是水热法。但是，水热法的主要缺点是实验操作复杂及产量较小，因而不适合用于工业上的大规模生产。
冷冻干燥法是另一种吸引人的制备气凝胶的方法，它具有产量大、操作方便的优点。但是，冷冻干燥法却不能用来直接制备石墨烯气凝胶，这是因为石墨烯自身不溶于水、缺少足够的相互作用来推动自组装过程。GO作为石墨烯的重要前体，其表面和边缘含有大量氧化基团，有利于其分散和加工。以GO为初始原料，人们利用冷冻干燥法和热处理技术成功制备了石墨烯气凝胶。但到目前为止，这个技术却鲜有用于石墨烯基杂化气凝胶的制备，主要问题在于，常用的纳米材料包括Fe3O4纳米粒子、碳纳米管、聚吡咯纳米粒子/线等都有强烈的团聚倾向，不易分散于水中。例如，虽然很多科学家报道了石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶，但却几乎全部使用水热法。因此，实现冷冻干燥法制备石墨烯基杂化气凝胶仍然是一个巨大挑战。
发明内容
本发明的内容是一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶的简单而高产量的制备方法。以GO和PNT分别代替石墨烯和聚吡咯纳米粒子/线为初始原料，依次通过超声分散、冷冻干燥、高温热处理等主要步骤获得三维结构的石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶。
本发明最主要的特点在于，工艺流程简单、可大量制备，所得石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶结构新颖，用作超级电容器电极显示出较高的比电容和较好的循环寿命，用于有机溶剂吸附剂时也显示出较高的吸附能力和二次使用特性。
本发明的实施方法，首先将合成所得的GO和PNT按照一定质量比(2:1~1:2)分散于水溶液中，经过搅拌和超声分散，获得混合均匀的悬浮液(固液比为1:20~1:200)；然后液氮中淬冷上述混合物约30 min，并冷冻干燥得到GO/PNT杂化气凝胶；最后通过高温热处理即可获得石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶。
本发明所述GO可通过任意方法制备，通常从石墨出发，利用Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法及在这些方法基础上进行改进的各种方法制备。
本发明所述PNT可通过甲基橙-氯化铁自降解模板法合成制备而得，具有一维、空心、管状结构。
本发明热处理温度可以选择200~800℃之间任何温度，确保GO还原成石墨烯。热重分析显示，PNT在300 ℃以下是稳定的，因此热处理温度在200-300 ℃时，材料均为石墨烯/聚吡咯气凝胶；300-800 ℃时，聚吡咯发生碳化，实际上得到的是石墨烯/碳化聚吡咯气凝胶。
具体实施方式
以下通过实施例进一步详细说明石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶的制备方法。然而，这些实施例仅仅是提供作为说明而不是限定本发明。
实施例1：
将50 mg GO分散于10 mL水中，超声1 h；取50 mg PNT分散于10 mL水中，超声1 h；将以上两份溶液混合后，继续超声1 h获得分散均匀的悬浮液。液氮淬冷后将所得固态混合物经过冷冻干燥，得到多孔GO/PNT气凝胶，记作GPA。将GPA至于管式马弗炉中，在氩气保护下200 ℃煅烧1h，所得最终产物经SEM、TGA、XRD和FTIR表征为石墨烯/聚吡咯气凝胶。
如果将上述200 ℃下煅烧得到的杂化气凝胶(记作rGPA-200)作为工作电极直接组装与三电极测试系统(Pt为对电极、饱和甘汞电极作为参比电极)中进行电化学测试，结果显示rGPA-200具有较高的比电容和较好的循环稳定性。
实施例2：
其它同实施例1，但煅烧温度为250 ℃，获得还原程度更高的三维多孔结构杂化气凝胶。
实施例3：
其它同实施例1，但煅烧温度为400 ℃，获得还原程度更高的三维多孔结构杂化气凝胶。
实施例4：
其它同实施例1，但煅烧温度为600 ℃，获得三维多孔结构杂化气凝胶。经过TGA、XRD、FTIR、XPS表征，此时聚吡咯已经发生碳化，所得气凝胶应为石墨烯/碳化聚吡咯气凝胶。
该气凝胶导电性能好，对有机溶剂具有良好的吸附能力。
实施例5：
其它同实施例1，但煅烧温度为800 ℃，获得还原程度更高的三维多孔结构杂化气凝胶。同样经过TGA、XRD、FTIR、XPS表征，此时聚吡咯已经发生碳化，所得气凝胶应为石墨烯/碳化聚吡咯气凝胶。
该气凝胶导电性能好，对有机溶剂具有良好的吸附能力。
实施例6：
其它同实施例1， 但GO和PNT初始投料质量比为1:2。同样能获得结构和性能优异的rGPA。
实施例7：
其它同实施例1，但GO和PNT初始投料质量比为2:1。同样能获得结构和性能优异的rGPA。

Claims (6)

1.一种制备三维结构的石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶的方法，其特征在于以氧化石墨烯GO和聚吡咯纳米管PNT分别代替通常使用的石墨烯和聚吡咯纳米粒子/线为初始原料，经过超声分散、液氮淬冷、冷冻干燥、高温热处理步骤获得三维结构的石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备三维结构的石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶的方法，其特征在于所述的PNT为通过甲基橙-氯化铁自降解模板法合成制备而得，具有一维、空心、管状结构。
3.根据权利要求1所述的制备三维结构的石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶的方法，其特征在于所述的GO和PNT的质量比为2:1~1:2。
4.根据权利要求1所述的制备三维结构的石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶的方法，其特征在于所述的高温热处理温度为200~800℃之间任何温度，确保GO还原成石墨烯。
5.根据权利要求4所述的高温热处理温度，其特征在于所述的高温热处理温度为200~300℃，制得石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶。
6.根据权利要求4所述的高温热处理温度，其特征在于所述的高温热处理温度为300~800℃，制得石墨烯/碳化聚吡咯气凝胶。
CN201310572203.3A 2013-11-15 2013-11-15 一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶及制备方法 Pending CN103601913A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310572203.3A CN103601913A (zh) 2013-11-15 2013-11-15 一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310572203.3A CN103601913A (zh) 2013-11-15 2013-11-15 一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶及制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN103601913A true CN103601913A (zh) 2014-02-26

Family

ID=50120184

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310572203.3A Pending CN103601913A (zh) 2013-11-15 2013-11-15 一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103601913A (zh)

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104401979A (zh) * 2014-10-31 2015-03-11 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 石墨烯基复合气凝胶的相转移制备方法
CN105289724A (zh) * 2015-09-28 2016-02-03 辽宁大学 Au/PILs/PPyNTs复合材料的制备方法及应用
CN105368045A (zh) * 2014-08-27 2016-03-02 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 石墨烯-聚吡咯复合气凝胶及其制备方法与应用
CN105566861A (zh) * 2016-03-04 2016-05-11 廖彩芬 一种增强型石墨烯/导电聚合物气凝胶及其制备方法
CN108101041A (zh) * 2018-03-01 2018-06-01 济南开发区星火科学技术研究院 一种ph敏感性的氧化石墨烯气凝胶的制备方法
CN108172416A (zh) * 2018-01-23 2018-06-15 哈尔滨工业大学 具有多孔管壁纳米管的三维碳气凝胶的制备方法及其应用
CN108470634A (zh) * 2018-04-24 2018-08-31 武汉理工大学 一种基于氮掺杂热解碳包覆的石墨烯微型超级电容器制作方法
CN109233275A (zh) * 2018-09-30 2019-01-18 安徽工业大学 一种高电导率聚吡咯凝胶及其制备方法
CN109467928A (zh) * 2018-11-29 2019-03-15 圣盟（廊坊）新材料研究院有限公司 一种石墨烯/聚合物导电复合材料的制备方法
CN109925980A (zh) * 2019-03-13 2019-06-25 太原理工大学 一种氮掺杂碳微球石墨烯复合气凝胶的制备方法
CN110127676A (zh) * 2019-06-27 2019-08-16 中素新科技有限公司 疏水性氧化石墨烯气凝胶及其生产方法
CN113480847A (zh) * 2021-07-22 2021-10-08 广东石油化工学院 一种强机械性能和储能特性的复合板材的制备方法
CN115181374A (zh) * 2021-04-06 2022-10-14 北京化工大学 一种大尺寸共轭聚合物及其无机杂化的二维材料的制备方法及其应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110224376A1 (en) * 2010-03-15 2011-09-15 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Carbon nanotube or graphene-based aerogels
CN102674315A (zh) * 2012-04-25 2012-09-19 浙江大学 一种石墨烯-碳纳米管复合全碳超轻弹性气凝胶及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110224376A1 (en) * 2010-03-15 2011-09-15 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Carbon nanotube or graphene-based aerogels
CN102674315A (zh) * 2012-04-25 2012-09-19 浙江大学 一种石墨烯-碳纳米管复合全碳超轻弹性气凝胶及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SHIBING YE等: "Highly elastic graphene oxide–epoxy composite aerogels via simple freeze-drying and subsequent routine curing", 《JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A》, 8 January 2013 (2013-01-08), pages 3495 - 3502 *
刘建华等: "石墨烯-聚吡咯纳米管杂化材料的制备及电容特性", 《无机化学学报》, vol. 29, no. 5, 31 May 2013 (2013-05-31), pages 929 - 935 *

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105368045A (zh) * 2014-08-27 2016-03-02 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 石墨烯-聚吡咯复合气凝胶及其制备方法与应用
CN104401979A (zh) * 2014-10-31 2015-03-11 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 石墨烯基复合气凝胶的相转移制备方法
CN105289724A (zh) * 2015-09-28 2016-02-03 辽宁大学 Au/PILs/PPyNTs复合材料的制备方法及应用
CN105289724B (zh) * 2015-09-28 2018-08-14 辽宁大学 Au/PILs/PPyNTs复合材料的制备方法及应用
CN105566861A (zh) * 2016-03-04 2016-05-11 廖彩芬 一种增强型石墨烯/导电聚合物气凝胶及其制备方法
CN108172416B (zh) * 2018-01-23 2019-04-12 哈尔滨工业大学 具有多孔管壁纳米管的三维碳气凝胶的制备方法及其应用
CN108172416A (zh) * 2018-01-23 2018-06-15 哈尔滨工业大学 具有多孔管壁纳米管的三维碳气凝胶的制备方法及其应用
CN108101041A (zh) * 2018-03-01 2018-06-01 济南开发区星火科学技术研究院 一种ph敏感性的氧化石墨烯气凝胶的制备方法
CN108470634A (zh) * 2018-04-24 2018-08-31 武汉理工大学 一种基于氮掺杂热解碳包覆的石墨烯微型超级电容器制作方法
CN109233275A (zh) * 2018-09-30 2019-01-18 安徽工业大学 一种高电导率聚吡咯凝胶及其制备方法
CN109233275B (zh) * 2018-09-30 2020-10-23 安徽工业大学 一种高电导率聚吡咯凝胶及其制备方法
CN109467928A (zh) * 2018-11-29 2019-03-15 圣盟（廊坊）新材料研究院有限公司 一种石墨烯/聚合物导电复合材料的制备方法
CN109925980A (zh) * 2019-03-13 2019-06-25 太原理工大学 一种氮掺杂碳微球石墨烯复合气凝胶的制备方法
CN109925980B (zh) * 2019-03-13 2022-02-01 太原理工大学 一种氮掺杂碳微球石墨烯复合气凝胶的制备方法
CN110127676A (zh) * 2019-06-27 2019-08-16 中素新科技有限公司 疏水性氧化石墨烯气凝胶及其生产方法
CN115181374A (zh) * 2021-04-06 2022-10-14 北京化工大学 一种大尺寸共轭聚合物及其无机杂化的二维材料的制备方法及其应用
CN115181374B (zh) * 2021-04-06 2024-03-26 北京化工大学 一种大尺寸共轭聚合物及其无机杂化的二维材料的制备方法及其应用
CN113480847A (zh) * 2021-07-22 2021-10-08 广东石油化工学院 一种强机械性能和储能特性的复合板材的制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103601913A (zh) 一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶及制备方法
Shang et al. Houttuynia-derived nitrogen-doped hierarchically porous carbon for high-performance supercapacitor
Luo et al. Synthesis of 3D-interconnected hierarchical porous carbon from heavy fraction of bio-oil using crayfish shell as the biological template for high-performance supercapacitors
Deng et al. Review on recent advances in nitrogen-doped carbons: preparations and applications in supercapacitors
Wang et al. Smartly designed 3D N-doped mesoporous graphene for high-performance supercapacitor electrodes
Chen et al. Facile synthesis of chitosan derived heteroatoms-doped hierarchical porous carbon for supercapacitors
Sun et al. Three-dimensional hierarchical porous carbon/graphene composites derived from graphene oxide-chitosan hydrogels for high performance supercapacitors
Li et al. Bark-based 3D porous carbon nanosheet with ultrahigh surface area for high performance supercapacitor electrode material
Yang et al. P-doped nanomesh graphene with high-surface-area as an efficient metal-free catalyst for aerobic oxidative coupling of amines
He et al. Direct synthesis of 3D hollow porous graphene balls from coal tar pitch for high performance supercapacitors
Xing et al. Lignite-derived high surface area mesoporous activated carbons for electrochemical capacitors
Li et al. KOH modified graphene nanosheets for supercapacitor electrodes
CN102674315B (zh) 一种石墨烯-碳纳米管复合全碳超轻弹性气凝胶及其制备方法
Nguyen et al. Morphology control and thermal stability of binderless-graphene aerogels from graphite for energy storage applications
Liu et al. Easy one-step synthesis of N-doped graphene for supercapacitors
Peng et al. Facile synthesis of poly (p-phenylenediamine)-derived three-dimensional porous nitrogen-doped carbon networks for high performance supercapacitors
Du et al. Preparation of functionalized graphene sheets by a low-temperature thermal exfoliation approach and their electrochemical supercapacitive behaviors
Fan et al. One-step synthesis of biomass-derived porous carbon foam for high performance supercapacitors
Gao et al. Facile synthesis of high-surface area mesoporous biochar for energy storage via in-situ template strategy
Zhao et al. Preparation and application of porous nitrogen-doped graphene obtained by co-pyrolysis of lignosulfonate and graphene oxide
Li et al. Porous nanotubes derived from a metal-organic framework as high-performance supercapacitor electrodes
Wang et al. High-performance supercapacitor based on V2O5/carbon nanotubes-super activated carbon ternary composite
CN104045077A (zh) 一种石墨烯三维分级多孔炭材料及制备方法
Chang et al. Convenient and large-scale synthesis of nitrogen-rich hierarchical porous carbon spheres for supercapacitors and CO2 capture
Zhang et al. Synthesis of porous graphitic carbon from biomass by one-step method And its role in the electrode for supercapacitor

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20140226