CN108147396A - 新型智能可控的石墨烯气凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气凝胶技术领域，具体涉及一种新型智能可控的石墨烯气凝胶的制备方法。将氧化石墨烯加入到蒸馏水中,超声分散，得到浓度为2~12mg/cm³的氧化石墨烯分散液；所述氧化石墨烯与蒸馏水的摩尔比为10:30~200；将0.1~40mmol的插层改性剂分散在溶剂中配制成5~25wt%的溶液，然后缓慢加入到氧化石墨烯分散液中，得到氧化石墨烯改性溶液；将氧化石墨烯改性溶液在‑80～‑10℃和2～ 10Pa 条件下进行冷冻干燥,得到一种新型智能可控的石墨烯气凝胶。本发明主要是通过调节插层改性剂的种类、用量和合成工艺，制备不同孔隙率、层间距和表面性质的石墨烯气凝胶。
Description
技术领域
本发明涉及气凝胶技术领域，具体涉及一种新型智能可控的石墨烯气凝胶的制备方法。
背景技术
石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维晶体结构。石墨烯的制备方法主要有四种：化学气相沉积法、透明胶带(Scotchtape) 法或称之为机械剥离法、晶体表面外延生长法、胶体化学合成法。 其中，胶体化学合成法是利用化学的方法还原已经被剥离成单层结构的氧化石墨。 在高分子表面活性剂如聚苯乙烯磺酸钠或小分子如丁酸芘酯存在时，采用水合联胺或硼氢化钠还原氧化石墨，就可以得到稳定的石墨烯水性胶体溶液。石墨烯稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。 石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)的性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯的厚度仅为一个碳原子直径 (0.142nm)，它是世界上已知的最薄材料。不仅如此，科学家通过使用原子尺寸的金属和钻石探针对石墨烯进行穿刺以测试它们的强度，得到的结果令人大为吃惊 ：石墨烯的强度比世界上最好的钢铁还高100 倍，它是当今世界上已知的强度最高的材料。石墨烯的高电导性和低电阻率使其在微电子领域具有巨大的应用潜力，研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。石墨烯良好的热稳定性为其在高温领域的应用提供了物质基础。 石墨烯的轻薄为制备超轻型飞机材料提供了可能，而利用它的超高强度可能来制造超坚韧的防弹衣。而利用其比表面积大、电导率高等优点可以将其作为电极材料、传感器、储氢材料等。
另一方面，气凝胶是具有低密度和高比表面积的高度多孔性纳米材料。它是采用特殊工艺( 一般指超临界干燥或者低温冷冻干燥 ) 把湿凝胶中的液体用气体来置换而不显著改变凝胶网络的结构或者体积而得到的。碳气凝胶最早于1989 年由美国的 Pekala以间苯二酚和甲醛为原料，在碱性条件下经溶胶-凝胶过程和超临界干燥制得的气凝胶再经碳化而得到的。 炭气凝胶的出现是气凝胶材料研究中具有开创性的进展，它将气凝胶材料从无机界扩展到了有机界，从电的不良导体扩展到了导电体，开创了气凝胶材料新的应用领域。 间苯二酚和甲醛是炭气凝胶的制备中使用的最多的前驱体。与此方法类似制备出的炭气凝胶前驱体还有，三聚氰胺和甲醛凝胶，混甲酚和甲醛凝胶，酚醛树脂和甲醛凝胶，均三甲苯和甲醛凝胶、聚异氰酸酯和甲醛凝胶等。
作为一种新型的多孔结构材料，炭气凝胶是纳米级胶体粒子或高聚物分子构成的多孔性非晶固体材料，其多孔率达 80％ -99.8％，孔洞尺寸一般＜ 50nm，比表面积高达200-1200m2/g。因为超凡的结构和特点，炭气凝胶在很多领域有着广泛的应用。首先，炭气凝胶可以应用于其它气凝胶应用的场合，例如：切仑可夫 (Cerenkov) 探测器、声阻耦合材料、催化剂及催化剂载体、气体过滤材料、高效隔热材料等。另外，炭气凝胶还具有生物机体相容性，使得其可以用于制造人造生物组织，人造器官及器官组件，医用诊断剂及胃肠外给药体系的药物载体。在其他领域，如吸附剂、色谱分析填料、分子筛等方面，炭气凝胶也有着广泛的用途。此外，炭气凝胶是一种具有导电性的气凝胶，可用于电极材料。将炭气凝胶作为双层电容器电极的比电容高达25F/g 以上，其内阻在1欧姆以下，漏电流小于 1mA。
在基于传统的碳气凝胶的基础上，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提供一种智能可控的气凝胶的制备方法，且制备的气凝胶能够结合石 墨烯的特性。
发明内容
本发明的目的时克服现有技术的不足而提供一种新型智能可控的石墨烯气凝胶的制备方法，主要是通过调节插层改性剂的种类、用量和合成工艺，制备不同孔隙率、层间距和表面性质的石墨烯气凝胶。
一种新型智能可控的石墨烯气凝胶的制备方法，由下述步骤组成：
（1）将氧化石墨烯加入到蒸馏水中,超声分散，得到浓度为2~12mg/cm³的氧化石墨烯分散液；所述氧化石墨烯与蒸馏水的摩尔比为10:30~200；
（2）将0.1~40mmol的插层改性剂分散在溶剂中配制成5~25wt%的溶液，然后缓慢加入到氧化石墨烯分散液中，在20~60℃下进行离子交换反应2~20h，得到氧化石墨烯改性溶液；
(3)将氧化石墨烯改性溶液在-80～-10℃和2～ 10Pa 条件下进行冷冻干燥，或在100～300℃和5～12MPa条件下进行超临界干燥处理，得到一种新型智能可控的石墨烯气凝胶。
所述溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮或乙腈。
所述插层改性剂为氨基化多面体低聚倍半硅氧烷、十八烷基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、二甲基双氢化牛脂基氯化铵中的一种或两种混合物。
本发明具有以下有益效果：本发明的一种新型智能可控的石墨烯气凝胶的制备方法，主要是通过调节插层改性剂的种类、用量和合成工艺，制备不同孔隙率、层间距和表面性质的石墨烯气凝胶。
具体实施方式
实施例1
一种新型智能可控的石墨烯气凝胶的制备方法，由下述步骤组成：
（1）将氧化石墨烯加入到蒸馏水中,超声分散，得到浓度为2mg/cm³的氧化石墨烯分散液；所述氧化石墨烯与蒸馏水的摩尔比为10:30；
（2）将0.1mmol的氨基化多面体低聚倍半硅氧烷溶解在乙醇中，滴加等量冰醋酸对氨基化多面体低聚倍半硅氧烷进行离子化处理，配成5wt%的溶液，然后缓慢加入到氧化石墨烯分散液中，在20℃下进行离子交换反应2h，得到氧化石墨烯改性溶液；
(3)将氧化石墨烯改性溶液在-80℃和2Pa 条件下进行冷冻干燥，或在100℃和5MPa条件下进行超临界干燥处理，得到氨基化多面体低聚倍半硅氧烷改性的石墨烯气凝胶。
实施例2
一种新型智能可控的石墨烯气凝胶的制备方法，由下述步骤组成：
（1）将氧化石墨烯加入到蒸馏水中,超声分散，得到浓度为12mg/cm³的氧化石墨烯分散液；所述氧化石墨烯与蒸馏水的摩尔比为10:200；
（2）将40mmol的十八烷基氯化铵分散在丙醇中，滴加等量冰醋酸对十八烷基氯化铵进行离子化处理，配成25wt%的溶液，然后缓慢加入到氧化石墨烯分散液中，在60℃下进行离子交换反应20h，得到氧化石墨烯改性溶液；
(3)将氧化石墨烯改性溶液在-10℃和10Pa 条件下进行冷冻干燥，或在300℃和12MPa条件下进行超临界干燥处理，得到十八烷基氯化铵改性的石墨烯气凝胶。
实施例3
一种新型智能可控的石墨烯气凝胶的制备方法，由下述步骤组成：
（1）将氧化石墨烯加入到蒸馏水中,超声分散，得到浓度为4mg/cm³的氧化石墨烯分散液；所述氧化石墨烯与蒸馏水的摩尔比为10:50；
（2）将5mmol的十八烷基三甲基氯化铵溶解在丙酮中，滴加等量冰醋酸对十八烷基三甲基氯化铵进行离子化处理，配成7wt%的溶液，然后缓慢加入到氧化石墨烯分散液中，在30℃下进行离子交换反应4h，得到氧化石墨烯改性溶液；
(3)将氧化石墨烯改性溶液在-70℃和4Pa 条件下进行冷冻干燥，或在150℃和7MPa条件下进行超临界干燥处理，得到十八烷基三甲基氯化铵改性的石墨烯气凝胶。
实施例4
一种新型智能可控的石墨烯气凝胶的制备方法，由下述步骤组成：
（1）将氧化石墨烯加入到蒸馏水中,超声分散，得到浓度为10mg/cm³的氧化石墨烯分散液；所述氧化石墨烯与蒸馏水的摩尔比为10:180；
（2）将30mmol的二甲基双氢化牛脂基氯化铵溶解在乙腈中，滴加等量冰醋酸对二甲基双氢化牛脂基氯化铵进行离子化处理，配成22wt%的溶液，然后缓慢加入到氧化石墨烯分散液中，在50℃下进行离子交换反应18h，得到氧化石墨烯改性溶液；
(3)将氧化石墨烯改性溶液在-20℃和8Pa 条件下进行冷冻干燥，或在250℃和11MPa条件下进行超临界干燥处理，得到二甲基双氢化牛脂基氯化铵改性的石墨烯气凝胶。
实施例5
一种新型智能可控的石墨烯气凝胶的制备方法，由下述步骤组成：
（1）将氧化石墨烯加入到蒸馏水中,超声分散，得到浓度为8mg/cm³的氧化石墨烯分散液；所述氧化石墨烯与蒸馏水的摩尔比为10:160；
（2）将25mmol的二甲基双氢化牛脂基氯化铵溶解在乙腈中，滴加等量冰醋酸对二甲基双氢化牛脂基氯化铵进行离子化处理；另将0.72mmol的和十八烷基氯化铵溶解于少量水中，配成溶液，将上述两种插层改性剂溶液依次缓慢加入到氧化石墨烯分散液中，在35℃下进行离子交换反应16h，得到氧化石墨烯改性溶液；
(3)将氧化石墨烯改性溶液在-19℃和7Pa 条件下进行冷冻干燥，或在200℃和10MPa条件下进行超临界干燥处理，得到二甲基双氢化牛脂基氯化铵和十八烷基氯化铵改性的石墨烯气凝胶。
Claims (3)
1.一种新型智能可控的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于：由下述步骤组成：
(1)将氧化石墨烯加入到蒸馏水中,超声分散，得到浓度为2～12mg/cm3的氧化石墨烯分散液；所述氧化石墨烯与蒸馏水的摩尔比为10:30～200；
(2)将0.1～40mmol的插层改性剂分散在溶剂中配制成5～25wt％的溶液，然后缓慢加入到氧化石墨烯分散液中，在20～60℃下进行离子交换反应2～20h，得到氧化石墨烯改性溶液；
(3)将氧化石墨烯改性溶液在-80～-10℃和2～10Pa条件下进行冷冻干燥，或在100～300℃和5～12MPa条件下进行超临界干燥处理，得到一种新型智能可控的石墨烯气凝胶。
2.根据权利要求1所述的新型智能可控的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于：所述溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮或乙腈。
3.根据权利要求1所述的新型智能可控的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于：所述插层改性剂为氨基化多面体低聚倍半硅氧烷、十八烷基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、二甲基双氢化牛脂基氯化铵中的一种或两种混合物。
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