CN105733260A - 一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种气凝胶及其制备方法，具体涉及一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶及其制备方法，所述石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的组成包括：石墨烯、有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物，所述的石墨烯与有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物质量比为1：20～20：1。该气凝胶具有高的电导率,优良的稳定性,可直接用于导电材料、隔热材料、储能材料、催化材料、吸附材料等领域。

Description

一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种气凝胶及其制备方法，具体涉及一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶及其制备方法。
背景技术
石墨烯是从石磨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯具有高的电子迁移率（2×105cm2(V·S)-1）,比硅半导体的电子迁移率高100倍，比砷化镓的电子迁移率高20倍，而电阻率只有约10-6Ω·cm。因此，被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或导电导热膜。
气凝胶是一种具有海绵状结构的低密度、高比表面积、高孔隙率的多孔性纳米材料，从而表现出独特的光学、热学、声学及电学性能，它有很多重要的用途，比如在工业领域做保温材料；用领域作为冰箱隔热材料、建筑保温材料、隔音材料；太阳能领域作为集热器；航空航天领域作为绝热材料；军工领域作为防弹材料。导电气凝胶同时具有导电性和气凝胶本身的特性，在超级电容器、锂电池等领域的应用备受关注。CN105175720A中公开了一种由聚苯胺在低酯果胶水溶液中聚合而形成的气凝胶；CN101851398A中公开了一种导电高分子气凝胶及其制备方法，采用本征态导电高分子聚（3,4-乙撑二氧噻吩）掺杂聚电解质制成导电高分子气凝胶。此类气凝胶的缺点是导电性较差。石墨烯气凝胶因其具有石墨烯及气凝胶的优良特性近年来得以广泛研究。CN103601913A中公开了一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶及其制备方法；CN103537236A中公开了一种石墨烯与聚合物的气凝胶，聚合物为聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯或羧甲基纤维素钠的水溶液。CN103413689A中公开了一种石墨烯及石墨烯/金属氧化物气凝胶。与导电高分子气凝胶相比，石墨烯气凝胶导电性有所提高，但是由于石墨烯阻值上升很快，因此石墨烯气凝胶导电率下降很快。
导电高分子是由具有共扼π-键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一类具有导电功能（包括半导电性、金属导电性超导电性）的聚合物材料，如聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑、聚苯硫醚等，不仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品，而且已成为许多先进工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类材料。其中，PEDOT(聚3,4-乙撑二氧噻吩)是一种新型的导电高分子材料，具有分子结构简单、能隙小、电导率高等特点，被广泛用作有机薄膜太阳能电池材料、OLED材料、电致变色材料、透明电极材料、固体电容器领域、防静电材料、印刷电路板之高透明导电油墨，以及作为医药中间体材料。PEDOT与其他导电高分子材料如聚吡咯、聚苯胺等相比具有以下优点：1、在可见光谱内具有高透射率及较高导电率；2、最小表面电阻可达150Ω/（决于制造条件）；3、更好的抗水解性、光稳定性及热稳定性；4、在高PH值时，导电性不会下降。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，该气凝胶具有高的电导率,优良的稳定性,可直接用于导电材料、隔热材料、储能材料、催化材料、吸附材料等领域。
本发明的另一目的在于在于提供一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的制备方法，该制备方法工艺简单，操作控制方便，质量稳定，生产成本低，适合工业化生产。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，所述石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的组成包括：石墨烯、有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物，所述的石墨烯与有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物质量比为1：20～20：1。
所述导电高分子聚合物为聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩及其衍生物中的一种或一种以上的混合物。
优选地，所述导电高分子聚合物为聚噻吩及其衍生物。
更为优选地，所述导电高分子聚合物为3,4-乙烯二氧噻吩。
所述有机磺酸的化学式为R-SO3H，其中，R为碳原子数为1-15的烷基、烯基、芳香基或碳原子数为3-15的环烷基、环烯基。
优选地，所述有机磺酸为甲基磺酸、乙基磺酸、丙基磺酸、1-丁基磺酸、乙烯基磺酸、聚苯乙烯磺酸、苯甲基磺酸中的一种或一种以上的混合物。
本发明的另一目的通过下述技术方案实现：一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入导电高分子聚合物，调节pH至2.0，继续搅拌至完全溶解，静置24小时；
（2）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入石墨烯，继续搅拌5-10min，使其分散均匀，制得石墨烯分散液；
（3）将步骤（1）中的导电高分子聚合物与步骤（2）中的石墨烯分散液混合，充分搅拌均匀后静置48h，制得石墨烯/导电高分子聚合物水凝胶；
（4）采用去离子水对石墨烯/导电高分子聚合物水凝胶进行置换，去除酸及水溶性杂质；
（5）采用超临界二氧化碳、超临界乙醇或冷冻干燥的方式对石墨烯/导电高分子聚合物水凝胶直接进行干燥；
所述的石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶可直接用于导电材料、隔热材料、储能材料、催化材料、吸附材料等领域。
本发明的有益效果在于：该气凝胶具有高的电导率,优良的稳定性,可直接用于导电材料、隔热材料、储能材料、催化材料、吸附材料等领域。
本发明的制备方法工艺简单，操作控制方便，质量稳定，生产成本低，适合工业化生产。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，所述石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的组成包括：石墨烯、有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物，所述的石墨烯与有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物质量比为1：20。
所述导电高分子聚合物为聚吡咯。
所述有机磺酸为甲基磺酸或乙基磺酸，有机磺酸的掺杂可以使聚吡咯更好的溶解。
一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
（1）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入掺杂后的聚吡咯，调节pH至2.0，继续搅拌至完全溶解，静置24小时制得聚吡咯溶液；
（2）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入石墨烯，继续搅拌5-10min，使其分散均匀，制得石墨烯分散液；
（3）将步骤（1）中的聚吡咯溶液与步骤（2）中的石墨烯分散液混合，充分搅拌均匀后静置48h，制得石墨烯/聚吡咯水凝胶；
（4）采用去离子水对石墨烯/聚吡咯水凝胶进行置换，去除酸及水溶性杂质；
（5）采用超临界二氧化碳对石墨烯/聚吡咯水凝胶直接进行干燥；
所述的石墨烯/聚吡咯气凝胶可直接用于导电材料、隔热材料、储能材料、催化材料、吸附材料等领域。
实施例2
一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，所述石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的组成包括：石墨烯、有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物，所述的石墨烯与有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物质量比为质量比1：2。
所述导电高分子聚合物为聚苯硫醚。
所述有机磺酸为乙基磺酸或丙基磺酸。有机磺酸与聚苯硫醚掺杂比例为3：1。
一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
（1）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入聚苯硫醚，调节pH至2.0，继续搅拌至完全溶解，静置24小时；
（2）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入石墨烯，继续搅拌5-10min，使其分散均匀，制得石墨烯分散液；
（3）将步骤（1）中的聚苯硫醚溶液与步骤（2）中的石墨烯分散液混合，充分搅拌均匀后静置48h，制得石墨烯/聚苯硫醚水凝胶；
（4）采用去离子水对石墨烯/聚苯硫醚水凝胶进行置换，去除酸及水溶性杂质；
（5）采用超临界乙醇对石墨烯/聚苯硫醚水凝胶直接进行干燥；
所述的石墨烯/聚苯硫醚气凝胶可直接用于导电材料、隔热材料、储能材料、催化材料、吸附材料等领域。
实施例3
一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，所述石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的组成包括：石墨烯、有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物，所述的石墨烯与有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物质量比为5：1。
所述导电高分子聚合物为聚苯胺。
所述有机磺酸为丙基磺酸或1-丁基磺酸，与聚苯胺掺杂比例为质量比1：1。
一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
（1）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入聚苯胺，调节pH至2.0，继续搅拌至完全溶解，静置24小时；
（2）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入石墨烯，继续搅拌5-10min，使其分散均匀，制得石墨烯分散液；
（3）将步骤（1）中的聚苯胺溶液与步骤（2）中的石墨烯分散液混合，充分搅拌均匀后静置48h，制得石墨烯/聚苯胺水凝胶；
（4）采用去离子水对石墨烯/聚苯胺水凝胶进行置换，去除酸及水溶性杂质；
（5）采用冷冻干燥的方式对石墨烯/聚苯胺水凝胶直接进行干燥；
该气凝胶具有高的电导率,优良的稳定性,可直接用于导电材料、隔热材料、储能材料、催化材料、吸附材料等领域。
实施例4
一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，所述石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的组成包括：石墨烯、有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物，所述的石墨烯与有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物质量比为10：1。
所述导电高分子聚合物为聚噻吩或其衍生物。
所述有机磺酸为乙烯基磺酸、聚苯乙烯磺酸、苯甲基磺酸中的一种或一种以上的混合物，与聚噻吩或其衍生物掺杂比例为3：1。
一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
（1）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入聚噻吩，调节pH至2.0，继续搅拌至完全溶解，静置24小时；
（2）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入石墨烯，继续搅拌5-10min，使其分散均匀，制得石墨烯分散液；
（3）将步骤（1）中的聚噻吩与步骤（2）中的石墨烯分散液混合，充分搅拌均匀后静置48h，制得石墨烯/聚噻吩水凝胶；
（4）采用去离子水对石墨烯/聚噻吩水凝胶进行置换，去除酸及水溶性杂质；
（5）采用超临界二氧化碳对石墨烯/聚噻吩水凝胶直接进行干燥；
所述的石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶可直接用于导电材料、隔热材料、储能材料、催化材料、吸附材料等领域。
实施例5
一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，所述石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的组成包括：石墨烯、有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物，所述的石墨烯与有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物质量比为20：1。
所述导电高分子聚合物为聚3,4-乙烯二氧噻吩。
所述有机磺酸为聚苯乙烯磺酸、苯甲基磺酸混合物。
一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
（1）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入聚3,4-乙烯二氧噻吩，调节pH至2.0，继续搅拌至完全溶解，静置24小时；
（2）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入石墨烯，继续搅拌5-10min，使其分散均匀，制得石墨烯分散液；
（3）将步骤（1）中的聚3,4-乙烯二氧噻吩与步骤（2）中的石墨烯分散液混合，充分搅拌均匀后静置48h，制得石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩水凝胶；
（4）采用去离子水对石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩水凝胶进行置换，去除酸及水溶性杂质；
（5）采用冷冻干燥的方式对石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩水凝胶直接进行干燥；
所述的石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩气凝胶可直接用于导电材料、隔热材料、储能材料、催化材料、吸附材料等领域。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，其特征在于：所述石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的组成包括：石墨烯、有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物，所述的石墨烯与有机磺酸掺杂的导电高分子聚合物质量比为1：20～20：1。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，其特征在于：所述导电高分子聚合物为聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩及其衍生物中的一种或一种以上的混合物。
3.根据权利要求2述的一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，其特征在于：所述导电高分子聚合物为聚噻吩及其衍生物。
4.根据权利要求2述的一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，其特征在于：所述导电高分子聚合物为3,4-乙烯二氧噻吩。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，其特征在于：所述有机磺酸的化学式为R-SO3H，其中，R为碳原子数为1-15的烷基、烯基、芳香基或碳原子数为3-15的环烷基、环烯基。
6.根据权利要求5所述的一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，所述有机磺酸为甲基磺酸、乙基磺酸、丙基磺酸、1-丁基磺酸、乙烯基磺酸、聚苯乙烯磺酸、苯甲基磺酸中的一种或一种以上的混合物。
7.根据权利要求6所述的一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶，所述有机磺酸为聚苯乙烯磺酸与甲基磺酸质量比为3:1～1:3的混合物。
8.据权利要求1-7所述的一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的制备方法，其特征在于：所述的石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶可直接用于导电材料、隔热材料、储能材料、催化材料、吸附材料等领域。
9.根据权利要求1-6所述的一种石墨烯/导电高分子聚合物气凝胶的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入导电高分子聚合物，调节pH至2.0，继续搅拌至完全溶解，静置24小时；
（2）在容器中加入去离子水，在搅拌的状态下，按配比加入石墨烯，继续搅拌5-10min，使其分散均匀，制得石墨烯分散液；
（3）将步骤（1）中的导电高分子聚合物与步骤（2）中的石墨烯分散液混合，充分搅拌均匀后静置48h，制得石墨烯/导电高分子聚合物水凝胶；
（4）采用去离子水对石墨烯/导电高分子聚合物水凝胶进行置换，去除酸及水溶性杂质；
（5）采用超临界二氧化碳、超临界乙醇或冷冻干燥的方式对石墨烯/导电高分子聚合物水凝胶直接进行干燥。
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