CN104211057A - 一种制备三维石墨烯超轻泡沫的方法 - Google Patents

Abstract

一种制备三维石墨烯超轻泡沫的方法，它属于新材料及其制备技术领域。本发明是利用γ射线能量高、穿透力强的特点，对氧化石墨和丙烯酰胺混合水溶液进行辐照处理，使溶液中氧化石墨发生插层接枝、剥离和交联，进而“一步”制备出复合的三维石墨烯泡沫，直接将该产物进行冷冻干燥和高温热处理，获得三维石墨烯超轻泡沫。本发明同时解决了三维石墨烯超轻泡沫制备工艺复杂，毒性大，成本高等问题，具有制备工艺简单，周期短，产率高，成本低，绿色环保等优点，可实现工业化批量生产。

Description

一种制备三维石墨烯超轻泡沫的方法

技术领域

本发明属于新材料及其制备技术领域，涉及一种快速、便捷制备三维石墨烯超轻泡沫的方法，特别是运用γ射线“一步”制备复合的三维石墨烯泡沫的方法。

背景技术

三维石墨烯超轻泡沫是由小尺寸石墨烯构筑的三维结构碳质材料，具有丰富的孔隙和开放的孔道结构，进一步扩展了石墨烯材料的应用空间。这种三维石墨烯超轻泡沫不仅具有低密度、高孔隙率和高比表面积等特点，而且还具有石墨烯优异的热学、力学、电学性能，为石墨烯在导热、复合材料增强、柔性导电、电磁屏蔽、吸附、催化及储能材料等领域的应用奠定了基础。

目前石墨烯泡沫的制备过程较为复杂，其中以水热法和化学气相沉积法(CVD法)为主要制备方法。水热法是利用水热反应釜将氧化石墨烯和贵金属盐或吡咯等还原剂的混合溶液通过水热限域组装制备，这种方法制备的泡沫主要依靠石墨烯片层间π-π堆叠和氢键作用，强度较低，反应温度高，且单片层石墨烯易于团聚，受剥离条件限制难以大批量生产。而CVD法是通过甲烷等碳化合物高温裂解，在铜、镍等泡沫金属基体内生长石墨烯，然后利用腐蚀性强酸溶去金属基体获得三维石墨烯泡沫，但这种方法制备成本高，反应条件苛刻。

本发明是利用γ射线辐照氧化石墨和丙烯酰胺混合水溶液，形成三维网络，并将产物冷冻干燥后高温处理即获得三维石墨烯超轻泡沫。这种方法利用了γ射线能量高，穿透力强的特点，有效提高三维石墨烯超轻泡沫的制备效率，同时避免有害物质生成，环保高效。此外，该方法所采用的高能γ射线辐照极易诱导自由基的生成，促使聚合物单体在石墨烯表面的接枝聚合并连接石墨烯片层，在泡沫中石墨烯的片层间形成牢固的共价键，显著提高石墨烯泡沫的结构稳定性和力学性能。

发明内容

本发明提供了一种制备三维石墨烯超轻泡沫的方法。它是采用高能γ射线辐照氧化石墨和丙烯酰胺混合水溶液，使溶液中产生的丙烯酰胺自由基与氧化石墨发生插层接枝，进而使氧化石墨片层剥离和交联，形成三维网络，“一步”制备出复合的三维石墨烯泡沫，经过冷冻干燥和高温处理后即可得到三维石墨烯超轻泡沫。

本发明的技术方案通过以下步骤实现：

(1)将丙烯酰胺按一定比例加入到已标定浓度的氧化石墨水溶液中，配制成均匀混合溶液密闭待用；

(2)将该混合溶液置于⁶⁰Co的辐照源室内，在某一剂量率下进行γ射线辐照，达到一定剂量后该混合溶液转变为复合的三维石墨烯泡沫；

(3)将所得复合的三维石墨烯泡沫冷冻干燥，在空气或惰性气体(氮气、氩气等)氛围下进行恒温热处理，即得到三维石墨烯超轻泡沫。

上述步骤(1)中所用的氧化石墨水溶液浓度为0.1～80mg/mL，氧化石墨与丙烯酰胺的质量比为1∶0.5～20。

上述步骤(2)中辐照剂量率为0.1×10³Gy/h～6.0×10³Gy/h，辐照剂量为2.0×10³Gy～1.0×10⁵Gy，辐照环境温度为0～80℃。

上述步骤(3)中升温速率为2～25℃/min，热处理温度为400-800℃，恒温热处理时间为20～180min。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明γ射线辐照快速、便捷制备三维石墨烯超轻泡沫的方法进行详细说明。

实施例1：

在300mL的玻璃瓶中配制浓度为1.0mg/mL的氧化石墨水溶液200mL，加入2g丙烯酰胺粉末，搅拌均匀后密闭待用。将玻璃瓶置于⁶⁰Co的γ射线辐照室中，在辐照剂量率为0.5×10³Gy/h，辐照剂量为3.0×10⁴Gy的条件下对其进行γ辐照，辐照处理温度为室温，辐照时间为60小时，混合溶液中产生多种自由基，相互反应后即形成复合的三维石墨烯泡沫。将上述复合的三维石墨烯泡沫在-10℃下预冷冻12h，-50℃下真空冷冻干燥48h，然后在空气氛围下以10℃/min的速率升温至500℃，在该温度下恒温30min后即得到三维石墨烯超轻泡沫。

实施例2：

在5L的广口瓶中配制浓度为30.0mg/ml的氧化石墨水溶液2L，加入400g丙烯酰胺粉末，搅拌均匀后密闭待用。将广口瓶置于⁶⁰Co的γ射线辐照室中，在辐照剂量率为2.0×10³Gy/h，辐照剂量为6.0×10⁴Gy的条件下对其进行γ辐照，辐照环境温度为40℃，辐照时间为30小时，混合溶液在高能射线的作用下产生多种活性自由基，促使氧化石墨发生插层接枝、剥离并交联，形成复合的三维石墨烯泡沫。将该复合的三维石墨烯泡沫通过液氮冷冻后，-50℃下真空冷冻干燥，然后在20ml/min的氮气流下按5℃/min的速率升温至500℃，在该温度下恒温80min后即得到三维石墨烯超轻泡沫。

实施例3：

在1L的玻璃瓶中配制浓度为50.0mg/ml的氧化石墨水溶液500mL，加入25g丙烯酰胺粉末后搅拌均匀密闭待用。将玻璃瓶置于⁶⁰Co的γ射线辐照室中，在辐照剂量率为5.0×10³Gy/h，辐照剂量为1.0×10⁵Gy的条件下对其进行γ辐照，辐照环境温度为28℃，辐照时间为20小时，形成复合的三维石墨烯泡沫。将它预冻后，-50℃下真空冷冻干燥，然后在2ml/min的氩气流下按20℃/min的速率升温至700℃，在该温度下恒温120min后即得到三维石墨烯超轻泡沫。

Claims (4)

1.一种制备三维石墨烯超轻泡沫的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将丙烯酰胺按一定比例加入到已标定浓度的氧化石墨水溶液中，配制成均匀混合溶液密闭待用；

(2)将该混合溶液置于⁶⁰Co的辐照源室内，在某一剂量率下进行γ射线辐照，达到一定剂量后该混合溶液转变为复合的三维石墨烯泡沫；

(3)将所得复合的三维石墨烯泡沫冷冻干燥，在空气或惰性气体(氮气、氩气等)氛围下进行恒温热处理，即得到三维石墨烯超轻泡沫成品。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，氧化石墨水溶液浓度为0.1～80mg/mL，氧化石墨与丙烯酰胺的质量比为1∶0.5～20。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的剂量率为0.1×10³Gy/h～6.0×10³Gy/h，辐照剂量为2.0×10³Gy～1.0×10⁵Gy，辐照环境温度为0～80℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，升温速率为2～25℃/min，热处理温度为400～800℃，恒温热处理时间为20～180min。