CN104291329A - 一种石墨烯海绵及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯海绵及其制备方法，属于功能材料领域。所述石墨烯海绵表面及内部呈现三维多孔状结构，压缩性能好，在压缩到自身型变量的10％时，仍能恢复到原型，并且在型变量为50％时可以重复压缩500次，压缩后海绵结构完整。所述石墨烯海绵的制备方法为：先制备氧化石墨烯溶液，再将其与正己烷混合，冷冻干燥后进行退火处理，即得到所述的石墨烯海绵。所述方法简单容易操作，成本低。

Description

一种石墨烯海绵及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯海绵及其制备方法，尤其涉及一种可高度压缩的石墨烯海绵及其制备方法，属于功能材料领域。
背景技术
石墨烯是二维碳基材料。由于其独特的二维平面结构，使其具有很高的电子迁移率，大的表面积，良好的机械强度和导热性能，已经广泛应用于能源材料、存储器件等方面的研究。而将单层石墨烯进行组装，使其成为宏观应用材料仍然是国内外研究着研究的重点。
三维结构石墨烯已经有大量的研究，由于其内部石墨烯片层呈三维孔状排布，使其具有很好的电学、力学性能，并且非常容易对其进行原位功能化。从2010年首次制备出石墨烯三维结构材料以来，对其的研究已经成为石墨烯组装材料研究的热点之一，并且已经成功将其应用到了燃料电池，压缩电容器电极材料的制备。目前利用水热、微波加工等方法，已经成功制备出了水凝胶状，干状石墨烯三维组装材料，但这些石墨烯三维组装材料，制备方法复杂，压缩性能差。
发明内容
针对现有三维结构石墨烯制备方法复杂，压缩性能差的问题，本发明的目的在于提供一种导电石墨烯海绵及其制备方法。所述石墨烯海绵压缩性能好，且制备方法简单、成本低。
本发明的目的由以下技术方案实现：
一种石墨烯海绵，所述石墨烯海绵表面及内部呈现三维多孔状结构。
本发明所述的石墨烯海绵的制备方法，所述方法步骤如下：
第一步：利用氧化剥离石墨法制备得到氧化石墨烯溶液；
第二步：将氧化石墨烯溶液与正己烷混合均匀，得到混合溶液；
第三步：将第二步所述混合溶液进行冷冻干燥处理，得到氧化石墨烯海绵；
第四步：将第三步所得氧化石墨烯海绵在氮气保护下退火处理后取出，即得到所述的石墨烯海绵。
其中，第一步制备得到的氧化石墨烯溶液浓度为2～10mg/mL，第二步中氧化石墨烯溶液与正己烷的体积比为1:1。
第四步中退火处理温度为200～500℃，时间为0.5～3h。
有益效果
(1)本发明所述方法得到的石墨烯海绵，表面及内部结构均呈三维、多孔状，因此，具有高的比表面积。在压缩到自身型变量的10％时，仍能恢复到原型，并且在型变量为50％时可以重复压缩500次，压缩后海绵结构完整，具有良好的压缩性能。是一种很好的可以导电的，可以压缩的，低密度海绵材料。
(2)本发明所述方法工艺简单，容易操作，且利用的原材料来源广泛，氧化剥离石墨法制备氧化石墨烯溶液的合成技术成熟，成本低。
(3)本发明所述方法获得的石墨烯海绵大小可控，可大批量生产。
附图说明
图1为实施例1中得到的石墨烯海绵的照片；
图2为实施例1中得到的石墨烯海绵的表面扫描电子显微镜图；
图3为实施例1中得到的石墨烯海绵的X射线衍射测试结果；
图4为实施例1中得到的石墨烯海绵的压缩测试压缩前、压缩中和压缩后的直观图；
图5为实施例1中得到的石墨烯海绵进行压缩测试的压力-压缩量曲线(压缩量为50％和90％)；
图6为实施例1中得到的石墨烯海绵进行500次压缩测试的压力-压缩量曲线(其中，压缩量为50％，图中显示的压缩次数分别为第一次、第300次和第500次)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。
Hummers法制备氧化石墨烯溶液的过程：取6g石墨粉,将160mL的质量浓度为98％的浓硫酸，3g硝酸钠混合，在冰浴、搅拌条件下，加入18g高锰酸钾，搅拌半小时，升温至35℃，继续搅拌半小时后，加入300mL的去离子水，温度调至90℃，搅拌15分钟，再加入1000mL的去离子水，继续搅拌，温度调至常温，加入40mL的过氧化氢，然后抽滤得到固体，加入200～800mL水后再离心洗涤，即可得到2～10mg/mL的氧化石墨烯溶液。
实施例1～3中的压缩测试采用岛津公司AGS-X电子万能试验机进行。
实施例1
1.利用氧化剥离石墨法(Hummers法)制备得到6mg/mL氧化石墨烯溶液。
2.将6mg/mL氧化石墨烯溶液与正己烷(化学纯)以体积比1:1混合均匀，得到混合溶液。
3.将混合溶液放入温度0度以下的环境中冷冻成块状。
4.将上述低温冷冻好的样品放入冷冻干燥机中干燥。
5.将干燥好的样品放入高温炉，在氮气氛围中升温至300℃退火处理30分钟，即可得到石墨烯海绵(图1)。对所得石墨烯海绵进行表征分析，结合扫面电子显微镜测试可知其内部为三维网状结构(图2)，X射线衍射测试结果可知氧化石墨烯的特征峰(11°)消失，出现了石墨烯的特征峰(24°)，说明样品已经由原料氧化石墨烯变为石墨烯材料(图3)，比表面积(BET)测试得比表面积为508.5m2/g。
6.对所得石墨烯海绵进行压缩测试，图4为石墨烯海绵压缩过程的直观图，图5的测试数据表明该石墨烯海绵在压缩到自身体积的10％(即压缩量为90％)时仍然能恢复原状，即恢复过程中，压力为0时，压缩量也为0。图6的测试数据表明重复500次压缩到自身体积的50％后，仍能在压力为0时恢复到压缩前的状态，即海绵结构完整。
实施例2
1.利用氧化剥离石墨法(Hummers法)制备得到2mg/mL氧化石墨烯溶液。
2.将2mg/mL氧化石墨烯溶液与正己烷(化学纯)以体积比1:1混合均匀，得到混合溶液。
3.将混合溶液放入温度0度以下的环境中冷冻成块状。
4.将上述低温冷冻好的样品放入冷冻干燥机中干燥。
5.将干燥好的样品放入高温炉，在氮气氛围中升温至500℃退火处理3小时，即可得到石墨烯海绵。对所得石墨烯海绵进行表征分析，结合扫面电子显微镜测试可知其内部为三维网状结构，X射线衍射测试结果可知氧化石墨烯的特征峰(11°)消失，出现了石墨烯的特征峰(24°)，说明样品已经由原料氧化石墨烯变为石墨烯材料，比表面积(BET)测试得比表面积为505.2m2/g。
6.对所得石墨烯海绵进行压缩测试，测试数据表明该石墨烯海绵在压缩到自身体积的10％(即压缩量为90％)时仍然能恢复原状，重复500次压缩到自身体积的50％后，海绵结构完整。
实施例3
1.利用氧化剥离石墨法(Hummers法)制备得到10mg/mL氧化石墨烯溶液。
2.将6mg/mL氧化石墨烯溶液与正己烷(化学纯)以体积比1:1混合均匀，得到混合溶液。
3.将混合溶液放入温度0度以下的环境中冷冻成块状。
4.将上述低温冷冻好的样品放入冷冻干燥机中干燥。
5.将干燥好的样品放入高温炉，在氮气氛围中升温至200℃退火处理1小时，即可得到石墨烯海绵。对所得石墨烯海绵进行表征分析，结合扫面电子显微镜测试可知其内部为三维网状结构，X射线衍射测试结果可知氧化石墨烯的特征峰(11°)消失，出现了石墨烯的特征峰(24°)，说明样品已经由原料氧化石墨烯变为石墨烯材料，比表面积(BET)测试得比表面积为510.0m2/g。
6.对所得石墨烯海绵进行压缩测试，测试数据表明该石墨烯海绵在压缩到自身体积的10％(即压缩量为90％)时仍然能恢复原状，重复500次压缩到自身体积的50％后，海绵结构完整。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种石墨烯海绵，其特征在于，所述石墨烯海绵表面及内部呈现三维多孔状结构。
2.一种如权利要求1所述的石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
第一步：利用氧化剥离石墨法制备得到氧化石墨烯溶液；
第二步：将氧化石墨烯溶液与正己烷混合均匀，得到混合溶液；
第三步：将第二步所述混合溶液进行冷冻干燥处理，得到氧化石墨烯海绵；
第四步：将第三步所得氧化石墨烯海绵在氮气保护下退火处理后取出，即得到所述的石墨烯海绵。
3.根据权利要求2所述的石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，第一步制备得到的氧化石墨烯溶液浓度为2～10mg/mL，第二步中氧化石墨烯溶液与正己烷的体积比为1:1。
4.根据权利要求2所述的石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，第四步中退火处理温度为200～500℃，时间为0.5～3h。
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