CN105130380A - 石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法，它涉及一种复合气凝胶的制备方法。本发明为了解决数层石墨烯间弱的化学键作用及石墨烯气凝胶内部为多孔结构导致力学性能差，以及氧化石墨烯热稳定性差的问题。本方法如下：一、制备氧化石墨烯-氧化锆纤维分散液；二、将氧化石墨烯还原；三、将还原过的样品用去离子水冲洗后浸入氨水并保存，最后冷冻干燥或超临界干燥，得到石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶。本发明引入氧化锆纤维提高了强度；采用新的还原剂通过水热法使氧化石墨烯在温和条件下被还原。本发明属于气凝胶的制备领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合气凝胶的制备方法。
背景技术
气凝胶(Aerogel)又称干凝胶，当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为气凝胶。由于气凝胶是一种多孔泡沫状的固体材料，密度极低以及比表面积很高，因此现在多进行催化基体、吸收材料以及导电和绝缘材料等领域研究。石墨烯是sp2键连的碳原子的单原子厚平面状片，所述碳原子密集地堆积在蜂巢状晶体结构中。石墨烯是用于所有其它维数的碳材料的二维构建材料。它可以围成0维(0D)的巴奇球(buckyball)，卷成1D的纳米管或堆叠为3D的石墨。石墨烯具有类似于碳纳米管的出色的面内机械、结构、热学以及电学性质。石墨烯气凝胶同时具备了石墨烯和气凝胶的特性，包括高的多孔率、超轻的密度、高的机械强度，以及很好的热导率和电导率。因此，石墨烯气凝胶被广泛应用于储能、催化、环保、电子器件等领域。
氧化锆(ZrO2)纤维是一种多晶陶瓷纤维，它除具有一般陶瓷纤维的特性外，还具有熔点高(2600℃)、耐高温(2200℃)、抗氧化、耐腐蚀、热传导率低等优良特性，在无机纤维材料中占有特殊的位置，是一种高性能的隔热和耐腐蚀材料，在保温绝热应用领域有着重要地位。
由于数层石墨烯间弱的化学键作用，以及石墨烯气凝胶内部为多孔结构，这在一定程度上降低了其力学性能，加之采用化学氧化-剥离-还原得到石墨烯片虽然能大规模的制备，但因片层被氧化的缺陷，破坏石墨烯完整的结构，进而影响其性能如热稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了解决由于石墨烯气凝胶内部为多孔结构降低了其力学性能的技术问题，提供了一种石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法按照以下步骤进行：
一、将氧化锆纤维与分散剂按照2～10:1的质量比加入到水中，搅拌6～24h，得到氧化锆纤维的悬浮液；
二、将氧化石墨烯分散于氧化锆纤维的悬浮液中，其中氧化石墨烯与氧化锆纤维的质量比为0.1～2﹕1，超声搅拌，得到氧化石墨烯-氧化锆纤维分散液；
三、在氧化石墨烯-氧化锆纤维分散液中加入与氧化石墨烯质量比为10～1:1的还原剂，在温度为80～180℃的条件下还原1～24h，或者在室温下还原1～10d，得还原过的样品；
四、将还原过的样品用去离子水冲洗后浸入质量浓度为10～28％的氨水中并在温度为90℃的条件下保存0.5～2h，最后冷冻干燥或超临界干燥，得到石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶；
步骤一中所述的分散剂为十二烷基磺酸钠、TritonX-100、聚乙二醇及聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或其中几种的组合。
步骤三中所述的还原剂为(NH4)2S、Na2S、NaHS、三聚氰胺、聚乙烯亚胺、精胺、水合肼、硼氢化钠及氢碘酸中的一种或其中几种的组合。
本发明提出了一种石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶及其制备方法，使氧化锆纤维能够镶嵌在石墨烯气凝胶的网络中，这也有利于阻止石墨烯的团聚，一定程度提高石墨烯气凝胶的强度，同时由于氧化锆纤维的熔点高、耐高温等优点可以改善复合气凝胶的热稳定性。
本发明具有以下优点：
1、引入氧化锆纤维提高了强度；
2、采用的还原剂通过水热法或常温静置使氧化石墨烯在温和条件下被还原；
3、氧化锆纤维可以提高石墨烯气凝胶的稳定性。
附图说明
图1是实验一中步骤四中所得石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的SEM图；
图2是实验一中步骤四中所得石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的SEM图；
图3是实验一中步骤四中所得石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶、还原石墨烯气凝胶和氧化石墨烯在氩气条件下的热重曲线，图中1表示还原石墨烯气凝胶的热重曲线，2表示石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的热重曲线。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法按照以下步骤进行：
一、将氧化锆纤维与分散剂按照2～10:1的质量比加入到水中，搅拌6～24h，得到氧化锆纤维的悬浮液；
二、将氧化石墨烯分散于氧化锆纤维的悬浮液中，其中氧化石墨烯与氧化锆纤维的质量比为0.1～2﹕1，超声搅拌，得到氧化石墨烯-氧化锆纤维分散液；
三、在氧化石墨烯-氧化锆纤维分散液中加入与氧化石墨烯质量比为10～1:1的还原剂，在温度为80～180℃的条件下还原1～24h，或者在室温下还原1～10d，得还原过的样品；
四、将还原过的样品用去离子水冲洗后浸入质量浓度为10～28％的氨水中并在温度为90℃的条件下保存0.5～2h，最后冷冻干燥或超临界干燥，得到石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶；
步骤一中所述的分散剂为十二烷基磺酸钠、TritonX-100、聚乙二醇及聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或其中几种的组合。
步骤三中所述的还原剂为(NH4)2S、Na2S、NaHS、三聚氰胺、聚乙烯亚胺、精胺、水合肼、硼氢化钠及氢碘酸中的一种或其中几种的组合。
本实施方式中所述的分散剂为组合物时各成分间为任意比。
本实施方式中所述的还原剂为组合物时各成分间为任意比。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中氧化锆纤维与分散剂的质量比为3～8:1。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是步骤一中氧化锆纤维与分散剂的质量比为4～6:1。其它与具体实施方式一或二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中氧化锆纤维与分散剂的质量比为5:1。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤一中所述搅拌时间为8～20h。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二中氧化石墨烯与氧化锆纤维的质量比为0.5～1.5﹕1。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三中在温度为150℃的条件下还原10h。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四中所述保存时间为0.8～1.5h。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤四中所述保存时间为1h。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤四中所述冷冻方法为液氮闪冻。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用下述实验验证本发明效果：
实验一:
石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法按照以下步骤进行：
一、称取50mg氧化锆纤维、10mg十二烷基苯磺酸钠，加入5ml去离子水，超声30min，并磁力搅拌12h，得到氧化锆纤维的悬浮液；
二、取5ml浓度为10mg/ml的氧化石墨烯水溶液加入到氧化锆纤维的悬浮液中，超声30min，并磁力搅拌1h，得到氧化石墨烯-氧化锆纤维分散液；
三、在氧化石墨烯-氧化锆纤维分散液中滴加1ml质量分数为20％硫化铵((NH4)2S)水溶液，分散均匀后，在温度为90℃、还原3h，得还原过的样品；
四、将还原过的样品用去离子水冲洗后浸入氨水(氨水的质量浓度为15％)并置于在温度为90℃的条件下保存0.5h，最后用液氮迅速冷冻并进行冷冻干燥，得到石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶。
Claims (10)
1.石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法按照以下步骤进行：
一、将氧化锆纤维与分散剂按照2～10:1的质量比加入到水中，搅拌6～24h，得到氧化锆纤维的悬浮液；
二、将氧化石墨烯分散于氧化锆纤维的悬浮液中，其中氧化石墨烯与氧化锆纤维的质量比为0.1～2﹕1，超声搅拌，得到氧化石墨烯-氧化锆纤维分散液；
三、在氧化石墨烯-氧化锆纤维分散液中加入与氧化石墨烯质量比为10～1:1的还原剂，在温度为80～180℃的条件下还原1～24h，或者在室温下还原1～10d，得还原过的样品；
四、将还原过的样品用去离子水冲洗后浸入质量浓度为10～28％的氨水中并在温度为90℃的条件下保存0.5～2h，最后冷冻干燥或超临界干燥，得到石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶；
步骤一中所述的分散剂为十二烷基磺酸钠、TritonX-100、聚乙二醇及聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或其中几种的组合。
步骤三中所述的还原剂为(NH4)2S、Na2S、NaHS、三聚氰胺、聚乙烯亚胺、精胺、水合肼、硼氢化钠及氢碘酸中的一种或其中几种的组合。
2.根据权利要求1所述石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于步骤一中氧化锆纤维与分散剂的质量比为3～8:1。
3.根据权利要求1所述石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于步骤一中氧化锆纤维与分散剂的质量比为4～6:1。
4.根据权利要求1所述石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于步骤一中氧化锆纤维与分散剂的质量比为5:1。
5.根据权利要求1所述石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于步骤一中所述搅拌时间为8～20h。
6.根据权利要求1所述石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于步骤二中氧化石墨烯与氧化锆纤维的质量比为0.5～1.5﹕1。
7.根据权利要求1所述石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于步骤三中在温度为150℃的条件下还原10h。
8.根据权利要求1所述石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于步骤四中所述保存时间为0.8～1.5h。
9.根据权利要求1所述石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于步骤四中所述保存时间为1h。
10.根据权利要求1所述石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于步骤四中所述冷冻方法为液氮闪冻。
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