CN108940140B - 一种制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法 - Google Patents

一种制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法，将二氧化钼/碳复合材料与甲基丙烯酸缩水甘油酯、N‑异丙基丙烯酰胺加入无水乙醇中混合，超声得分散液A；将氧化石墨烯、氟化石墨烯加入DMF中，超声得石墨烯混合液；将分散液A在搅拌条件下加入石墨烯混合液中，加入聚乙烯吡咯烷酮，超声分散，然后加入硼氢化钠溶液，水浴条件下还原；还原反应结束后，恒温反应得水凝胶材料；将水凝胶材料冷冻，冻干得石墨烯碳气凝胶复合材料。本发明首先制备了具有多孔网状结构的二氧化钼/碳复合材料，然后与氧化石墨烯、氟化石墨烯共同制备得到石墨烯碳气凝胶复合材料。制备的气凝胶复合材料具有优异的循环稳定性，良好的电化学性能及力学性能。

Description

一种制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法
技术领域
本发明属于气凝胶技术领域，具体涉及一种制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法。
背景技术
石墨烯是一种只有一个原子层厚度的片状二维材料，石墨烯也是目前发现的最薄的二维材料，石墨烯的晶格中包含六个采取sp2杂化的碳原子，晶格结构是与苯环类似的平面正六边形结构。石墨烯的特殊晶格结构赋予了石墨优秀的电学热学和机械性能石墨烯的电导率为104S/m，载流子迁移速率高达15000cm2·V·s-1.石墨烯具备良好的导热性能，其导热速率高达5000W·m-1·K-1。石墨烯具备优秀的机械性能，其强度为130GPa是钢铁的100倍。此外，石墨烯还具有很高的理论比表面积，其理论比表面积高达2630m2·g-1。
碳气凝胶是一种新型轻质纳米多空无定形碳素材料，具有比表面积高、质量密度低、孔隙率高等特点，在力学、声学、电学、热学和光学等领域都具有潜在的应用价值。将石墨烯与碳气凝胶相结合，可构建一种高性能的纳米复合材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法，制备步骤如下：
1）将二氧化钼/碳复合材料与甲基丙烯酸缩水甘油酯、N-异丙基丙烯酰胺按照质量比10-25:10-20:5-10加入无水乙醇中混合，超声1-2h使分散均匀得分散液A；
2）将氧化石墨烯、氟化石墨烯按照质量比5-8:3-5加入DMF中，超声处理3-5小时得分散均匀的石墨烯混合液；
3）将分散液A在搅拌条件下加入石墨烯混合液中，加入聚乙烯吡咯烷酮，超声分散30-60min，然后加入浓度为1-2mol/L的硼氢化钠溶液，水浴条件下还原；
4）还原反应结束后，维持体系温度80-110℃恒温反应12-18h，得水凝胶材料；
5）将水凝胶材料冷冻，冻干，得石墨烯碳气凝胶复合材料。
具体地，所述二氧化钼/碳复合材料的制备步骤如下：将钼酸铵与海藻酸钠按照质量比1-2:2-3混合后加入去离子水中，在室温下搅拌5-6小时，静置脱泡12-24h，将脱泡后的混合液逐滴滴入0.2mol/L的盐酸中得水凝胶小球，用去离子水和无水乙醇各洗3次，冻干24-48h，然后放入管式炉中固定1个小时，整个过程中管式炉的升温速率为4℃/min，在氮气气氛下600℃碳化1个小时，研磨成粉末，得到二氧化钼/碳复合材料。
具体地，所述氟化石墨烯的制备方法如下：将氧化石墨烯加入去离子水中，超声处理2-3h得氧化石墨烯水溶液；将氧化石墨烯水溶液加入带聚四氟乙烯内衬的水热釜中，然后加入氟化剂，100-200℃反应20-25h，反应结束后冷却至室温，过滤，用去离子水将滤饼洗至中性，烘干，即得氟化石墨烯。
具体地，所述二氧化钼/碳复合材料与氧化石墨烯的质量比为15-20:5-8。
具体地，所述步骤3）中聚乙烯吡咯烷酮与氧化石墨烯的质量比1-2:10-15。
本发明具有以下有益效果：本发明首先制备了具有多孔网状结构的二氧化钼/碳复合材料，然后与氧化石墨烯、氟化石墨烯共同制备得到石墨烯碳气凝胶复合材料。制备的气凝胶复合材料具有优异的循环稳定性，良好的电化学性能及力学性能。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。
实施例1
制备二氧化钼/碳复合材料：将钼酸铵与海藻酸钠按照质量比1:2混合后加入去离子水中，在室温下搅拌5小时，静置脱泡12h，将脱泡后的混合液逐滴滴入0.2mol/L的盐酸中得水凝胶小球，用去离子水和无水乙醇各洗3次，冻干24h，然后放入管式炉中固定1个小时，整个过程中管式炉的升温速率为4℃/min，在氮气气氛下600℃碳化1个小时，研磨成粉末，得到二氧化钼/碳复合材料。
制备氟化石墨烯：将氧化石墨烯加入去离子水中，超声处理2h得氧化石墨烯水溶液；将氧化石墨烯水溶液加入带聚四氟乙烯内衬的水热釜中，然后加入氟化剂，150℃反应20h，反应结束后冷却至室温，过滤，用去离子水将滤饼洗至中性，烘干，即得氟化石墨烯。
一种制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法，制备步骤如下：
1）将二氧化钼/碳复合材料与甲基丙烯酸缩水甘油酯、N-异丙基丙烯酰胺按照质量比18:15:8加入无水乙醇中混合，超声2h使分散均匀得分散液A；
2）将氧化石墨烯、氟化石墨烯按照质量比7:4加入DMF中，超声处理3小时得分散均匀的石墨烯混合液；
3）将分散液A在搅拌条件下加入石墨烯混合液中，二氧化钼/碳复合材料与氧化石墨烯的质量比为18:7，加入聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮与氧化石墨烯的质量比1:12，超声分散40min，然后加入浓度为2mol/L的硼氢化钠溶液，水浴条件下还原；
4）还原反应结束后，维持体系温度90℃恒温反应15h，得水凝胶材料；
5）将水凝胶材料冷冻，冻干，得石墨烯碳气凝胶复合材料。
实施例2
制备二氧化钼/碳复合材料：将钼酸铵与海藻酸钠按照质量比2:3混合后加入去离子水中，在室温下搅拌6小时，静置脱泡24h，将脱泡后的混合液逐滴滴入0.2mol/L的盐酸中得水凝胶小球，用去离子水和无水乙醇各洗3次，冻干48h，然后放入管式炉中固定1个小时，整个过程中管式炉的升温速率为4℃/min，在氮气气氛下600℃碳化1个小时，研磨成粉末，得到二氧化钼/碳复合材料。
制备氟化石墨烯：将氧化石墨烯加入去离子水中，超声处理3h得氧化石墨烯水溶液；将氧化石墨烯水溶液加入带聚四氟乙烯内衬的水热釜中，然后加入氟化剂，200℃反应25h，反应结束后冷却至室温，过滤，用去离子水将滤饼洗至中性，烘干，即得氟化石墨烯。
一种制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法，制备步骤如下：
1）将二氧化钼/碳复合材料与甲基丙烯酸缩水甘油酯、N-异丙基丙烯酰胺按照质量比10:13:10加入无水乙醇中混合，超声1h使分散均匀得分散液A；
2）将氧化石墨烯、氟化石墨烯按照质量比5:3加入DMF中，超声处理4小时得分散均匀的石墨烯混合液；
3）将分散液A在搅拌条件下加入石墨烯混合液中，二氧化钼/碳复合材料与氧化石墨烯的质量比为15:8，加入聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮与氧化石墨烯的质量比2:15，超声分散50min，然后加入浓度为1mol/L的硼氢化钠溶液，水浴条件下还原；
4）还原反应结束后，维持体系温度100℃恒温反应12h，得水凝胶材料；
5）将水凝胶材料冷冻，冻干，得石墨烯碳气凝胶复合材料。
实施例3
制备二氧化钼/碳复合材料：将钼酸铵与海藻酸钠按照质量比2:2.5混合后加入去离子水中，在室温下搅拌5小时，静置脱泡18h，将脱泡后的混合液逐滴滴入0.2mol/L的盐酸中得水凝胶小球，用去离子水和无水乙醇各洗3次，冻干36h，然后放入管式炉中固定1个小时，整个过程中管式炉的升温速率为4℃/min，在氮气气氛下600℃碳化1个小时，研磨成粉末，得到二氧化钼/碳复合材料。
制备氟化石墨烯：将氧化石墨烯加入去离子水中，超声处理3h得氧化石墨烯水溶液；将氧化石墨烯水溶液加入带聚四氟乙烯内衬的水热釜中，然后加入氟化剂，100℃反应23h，反应结束后冷却至室温，过滤，用去离子水将滤饼洗至中性，烘干，即得氟化石墨烯。
一种制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法，制备步骤如下：
1）将二氧化钼/碳复合材料与甲基丙烯酸缩水甘油酯、N-异丙基丙烯酰胺按照质量比25:10:7加入无水乙醇中混合，超声2h使分散均匀得分散液A；
2）将氧化石墨烯、氟化石墨烯按照质量比8:5加入DMF中，超声处理5小时得分散均匀的石墨烯混合液；
3）将分散液A在搅拌条件下加入石墨烯混合液中，二氧化钼/碳复合材料与氧化石墨烯的质量比为20:6，加入聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮与氧化石墨烯的质量比2:13，超声分散30min，然后加入浓度为1mol/L的硼氢化钠溶液，水浴条件下还原；
4）还原反应结束后，维持体系温度80℃恒温反应18h，得水凝胶材料；
5）将水凝胶材料冷冻，冻干，得石墨烯碳气凝胶复合材料。
实施例4
制备二氧化钼/碳复合材料：将钼酸铵与海藻酸钠按照质量比1.5:2混合后加入去离子水中，在室温下搅拌6小时，静置脱泡24h，将脱泡后的混合液逐滴滴入0.2mol/L的盐酸中得水凝胶小球，用去离子水和无水乙醇各洗3次，冻干24h，然后放入管式炉中固定1个小时，整个过程中管式炉的升温速率为4℃/min，在氮气气氛下600℃碳化1个小时，研磨成粉末，得到二氧化钼/碳复合材料。
制备氟化石墨烯：将氧化石墨烯加入去离子水中，超声处理2h得氧化石墨烯水溶液；将氧化石墨烯水溶液加入带聚四氟乙烯内衬的水热釜中，然后加入氟化剂，180℃反应22h，反应结束后冷却至室温，过滤，用去离子水将滤饼洗至中性，烘干，即得氟化石墨烯。
一种制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法，制备步骤如下：
1）将二氧化钼/碳复合材料与甲基丙烯酸缩水甘油酯、N-异丙基丙烯酰胺按照质量比15:20:5加入无水乙醇中混合，超声1h使分散均匀得分散液A；
2）将氧化石墨烯、氟化石墨烯按照质量比6:5加入DMF中，超声处理4小时得分散均匀的石墨烯混合液；
3）将分散液A在搅拌条件下加入石墨烯混合液中，二氧化钼/碳复合材料与氧化石墨烯的质量比为17:5，加入聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮与氧化石墨烯的质量比1:10，超声分散60min，然后加入浓度为2mol/L的硼氢化钠溶液，水浴条件下还原；
4）还原反应结束后，维持体系温度110℃恒温反应13h，得水凝胶材料；
5）将水凝胶材料冷冻，冻干，得石墨烯碳气凝胶复合材料。

Claims (4)

1.一种制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法，其特征在于，制备步骤如下：
1)将二氧化钼/碳复合材料与甲基丙烯酸缩水甘油酯、N-异丙基丙烯酰胺按照质量比10-25:10-20:5-10加入无水乙醇中混合，超声1-2h使分散均匀得分散液A；
2)将氧化石墨烯、氟化石墨烯按照质量比5-8:3-5加入DMF中，超声处理3-5小时得分散均匀的石墨烯混合液；
3)将分散液A在搅拌条件下加入石墨烯混合液中，加入聚乙烯吡咯烷酮，超声分散30-60min，然后加入浓度为1-2mol/L的硼氢化钠溶液，水浴条件下还原；
4)还原反应结束后，维持体系温度80-110℃恒温反应12-18h，得水凝胶材料；
5)将水凝胶材料冷冻，冻干，得石墨烯碳气凝胶复合材料；
所述二氧化钼/碳复合材料的制备步骤如下：将钼酸铵与海藻酸钠按照质量比1-2:2-3混合后加入去离子水中，在室温下搅拌5-6小时，静置脱泡12-24h，将脱泡后的混合液逐滴滴入0.2mol/L的盐酸中得水凝胶小球，用去离子水和无水乙醇各洗3次，冻干24-48h，然后放入管式炉中固定1个小时，整个过程中管式炉的升温速率为4℃/min，在氮气气氛下600℃碳化1个小时，研磨成粉末，得到二氧化钼/碳复合材料。
2.如权利要求1所述的制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法，其特征在于，所述氟化石墨烯的制备方法如下：将氧化石墨烯加入去离子水中，超声处理2-3h得氧化石墨烯水溶液；将氧化石墨烯水溶液加入带聚四氟乙烯内衬的水热釜中，然后加入氟化剂，100-200℃反应20-25h，反应结束后冷却至室温，过滤，用去离子水将滤饼洗至中性，烘干，即得氟化石墨烯。
3.如权利要求1所述的制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法，其特征在于，所述二氧化钼/碳复合材料与氧化石墨烯的质量比为15-20:5-8。
4.如权利要求1所述的制备石墨烯碳气凝胶复合材料的方法，其特征在于，所述步骤3)中聚乙烯吡咯烷酮与氧化石墨烯的质量比1-2:10-15。
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