CN109399619B - 一种氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，是以氧化石墨烯的水分散液为前驱体，柠檬酸铵为掺氮剂和还原剂，采用简单的一步水热法原位自组装形成氮掺杂石墨烯水凝胶，经透析、冷冻干燥后，制备得到超轻、高弹的氮掺杂石墨烯气凝胶。本发明制备的氮掺杂石墨烯气凝胶密度小，具有丰富的相互交联的三维多孔结构，孔隙率高，具有优异的压力回弹性能。

Description

一种氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种石墨烯气凝胶，特别是涉及一种氮掺杂的石墨烯气凝胶的制备方法。
背景技术
碳气凝胶是一种轻质、具有连续三维网络结构的块状多孔纳米碳材料。其网络结构一般由相互交联的纳米颗粒或纳米片层所组成，颗粒或片层内部的孔隙主要是微孔，颗粒与颗粒之间、片层与片层之间则大多是2nm以上的中孔或大孔，总体表现出微孔、中孔和大孔复合的梯级孔结构特征。
传统的碳气凝胶通常由颗粒相互交联构筑而成。而石墨烯气凝胶则是由二维晶体石墨烯卷曲、折叠并交联形成，因此，石墨烯气凝胶表现出更加丰富的孔隙结构特征。由于石墨烯良好的凝胶化性能，相比于传统碳气凝胶的制备，石墨烯气凝胶的制备效率更高、制备过程更加简洁。此外，石墨烯气凝胶具有很好的热稳定性和化学稳定性，可以增强材料的抗腐蚀性，提高材料寿命。这些特性也使得石墨烯气凝胶更具有实用价值。
然而，在制备石墨烯气凝胶的过程中，由于溶液中的石墨烯纳米片层之间具有较强的相互作用(π-π键作用和范德华力)，因此易于发生层间堆叠和不可逆团聚，导致所制备石墨烯气凝胶的孔结构性能不理想。同时，制备的石墨烯气凝胶脆性较大，机械性能不佳，也限制了其的应用领域。
利用杂原子(如氮、硼等)进行掺杂，可以有效提高石墨烯结构的稳定性。
Sun等(Nitrogen-doped holey graphene foams for high-performancelithium storage[J]. Rsc Advances, 2015, 5(111): 91114-91119.)利用H2O2超声分散氧化石墨烯，通过氧化作用蚀刻得到多孔氧化石墨烯，随后通过水热自组装、冷冻干燥得到三维石墨烯，最后在NH3/N2、1000℃煅烧制得三维氮掺杂石墨烯，氮含量3.4at%。
Liu等(Superelastic and multifunctional graphene based aerogels byinterfacial reinforcement with graphitized carbon at high temperatures[J].Carbon, 2018, 132: 95-103.)报道了一种制备集成石墨烯气凝胶的有效方法，将还原后的氧化石墨烯与聚酰亚胺大分子连接起来，在2800℃进行石墨化处理，将还原后的石墨烯氧化层热还原为石墨烯，去除其残余氧基，修复缺陷，将聚酰亚胺组分石墨化成涡轮碳，使石墨烯片层桥接，形成具有良好力学性能和功能性能的石墨烯气凝胶。该方法涉及超高温处理，技术难度大且不易操作，限制了其推广使用。
CN 108525649A公开了一种高强度氧化石墨烯气凝胶的制备方法及其应用，是以氧化石墨烯为前驱体，聚乙烯亚胺(PEI)作为交联剂和氮源，海藻酸钠(SA)作为增强材料制备高强度氧化石墨烯气凝胶。但该方法的氮掺杂率较低，且工艺繁杂，限制了生产效率。
发明内容
本发明的目的是解决石墨烯气凝胶孔结构性能不理想、机械性能低下的问题，提供一种超轻、高弹的氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法。
本发明所述氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法是以氧化石墨烯(GO)的水分散液为前驱体，柠檬酸铵为掺氮剂和还原剂，采用简单的一步水热法原位自组装形成氮掺杂石墨烯水凝胶，经透析、冷冻干燥后，制备得到超轻、高弹的氮掺杂石墨烯气凝胶(NGA)。
相比较而言，水热法的反应过程更简便、更安全，且反应条件较温和、易操作。
其中，所述柠檬酸铵的用量为氧化石墨烯质量的0.1～15倍。
本发明上述制备方法中，优选采用超声处理方式将氧化石墨烯分散在水中形成水分散液前驱体。
进一步地，本发明是将所述氧化石墨烯分散在水中制备浓度为2～6mg/mL的氧化石墨烯水分散液。
本发明上述制备方法中，所述水热反应是在100～180℃下进行的。
优选地，所述水热反应时间为2～12h。
本发明对上述形成的氮掺杂石墨烯水凝胶进行透析净化处理，目的是为了除去水凝胶中的杂质。具体的透析方法是将水凝胶用无水乙醇和去离子水反复洗涤后，再浸泡于乙醇去离子水混合溶液中进行反复透析，用以除去剩余的还原剂和其他副产物，直至混合溶液变至无色透明。
进一步地，所述混合溶液中的透析时间优选为6～48h。
所述乙醇去离子水混合溶液中，乙醇与去离子水的体积比为1∶(10～20)。
本发明选择在乙醇去离子水混合溶液中进行透析，是为了降低石墨烯的凝固点，以在后续的冷冻干燥时产生的小冰晶能推动石墨烯片层在重排过程中更好的保持孔结构，避免冷冻干燥时有部分气凝胶变成粉末。
本发明将透析后的水凝胶进行冷冻干燥以最终得到氮掺杂石墨烯气凝胶。所述冷冻干燥具体是将水凝胶先在-78℃下预冻0.5～48h，再置于冷冻干燥机中，在温度-80℃、真空度8Pa条件下进行冷冻干燥，干燥时间24～72h。
本发明提供了一种新型的超轻、高弹氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，在不引入额外修饰结构的情况下，采用一步水热法原位自组装制备得到氮掺杂石墨烯气凝胶。该材料为黑色块状固体，块体密度4.57～6.69mg/cm3，具有丰富的相互交联的三维多孔结构，孔隙率99.7～99.8%，具有优异的压力回弹性能，压缩应变可以达到90%。
本发明的氮掺杂石墨烯气凝胶制备方法工艺简便、制备成本低廉。
附图说明
图1是制备的氮掺杂石墨烯气凝胶的产品照片。
图2是实施例1中石墨烯及所制备氮掺杂石墨烯气凝胶的X射线衍射强度图谱。
图3是实施例1制备氮掺杂石墨烯气凝胶的红外光谱图。
图4是实施例1与对比例1制备氮掺杂石墨烯气凝胶及普通石墨烯气凝胶的SEM扫描电镜形貌图。
图5是实施例1制备氮掺杂石墨烯气凝胶的机械压缩测试照片。
具体实施方式
下述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1。
取30mg氧化石墨烯，加入到10mL去离子水中，于超声仪中以超声频率50KHz超声分散0.5h，得到浓度为3mg/mL的氧化石墨烯分散液。
取5mL氧化石墨烯分散液，加入75mg还原剂柠檬酸铵，以超声频率50KHz超声分散10min，得到反应混合液。
将所述反应混合液置于带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封，置于烘箱中，升温至120℃水热反应12h。
反应结束后停止加热，将产物冷却至25℃，得到石墨烯凝胶。
将上述得到的石墨烯凝胶反复用无水乙醇、去离子水洗涤5次后，浸泡在由乙醇和去离子水以1∶20的体积比组成的混合溶液中透析48h，置换出凝胶中的液体。
透析后的凝胶置于超低温冷冻箱中，-78℃下预冻24h后，再置于真空度8Pa的冷冻干燥机中，-80℃下冷冻干燥48h，得到最终产物氮掺杂石墨烯气凝胶。
图1所示为上述制备的氮掺杂石墨烯气凝胶的宏观图。图中样品为黑色块状固体，能够置于蒲公英花蕊上而不使其发生形变，体现出超轻特性。经检测，该氮掺杂石墨烯气凝胶的密度约为4.89mg/cm3，孔隙率约为99.8%。
图2提供了氮掺杂石墨烯气凝胶的X射线衍射强度图谱，并与原料石墨粉和氧化石墨烯进行对照。图中，石墨粉在2θ约为26.4°附近的衍射峰对应石墨结构的(002)晶面；而氧化石墨烯在10.65°附近的衍射峰即为氧化石墨烯的(001)面衍射峰，21.03˚处为石墨碳结构的衍射峰。当氧化石墨烯被还原成石墨烯后，在2θ约为21.75°附近出现衍射峰，这与石墨的衍射峰位置相近，但衍射峰变宽、强度减弱。这是由于氧化石墨烯还原后，石墨片层尺寸更加缩小，晶体结构的完整性下降，无序度增加。
图3则提供了氮掺杂石墨烯气凝胶的傅里叶红外光谱图，并与原料石墨粉和氧化石墨烯进行对照。图中3452cm-1处是-OH伸缩振动峰、1640cm-1处是-C=C伸缩振动峰、1582cm-1处是-NH2伸缩振动峰、1217cm-1处是-CN伸缩振动峰。该表征反映出了由石墨粉到石墨烯气凝胶的官能团变化情况，同时证明了制备的气凝胶为氮掺杂型。
实施例2。
取80mg氧化石墨烯，加入到20mL去离子水中，于超声仪中以超声频率50KHz超声分散0.5h，得到浓度为4mg/mL的氧化石墨烯分散液。
取10mL氧化石墨烯分散液，加入75mg还原剂柠檬酸铵，以超声频率50KHz超声分散10min，得到反应混合液。
将所述反应混合液置于带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封，置于烘箱中，升温至120℃水热反应3h。
反应结束后停止加热，将产物冷却至25℃，得到石墨烯凝胶。
将上述得到的石墨烯凝胶反复用无水乙醇、去离子水洗涤5次后，浸泡在由乙醇和去离子水以1∶10的体积比组成的混合溶液中透析12h，置换出凝胶中的液体。
透析后的凝胶置于超低温冷冻箱中，-78℃下预冻48h后，再置于真空度8Pa的冷冻干燥机中，-80℃下冷冻干燥72h，得到最终产物氮掺杂石墨烯气凝胶。
经检测，该氮掺杂石墨烯气凝胶密度约为5.14mg/cm3，孔隙率约为99.8%。
实施例3。
取50mg氧化石墨烯，加入到10mL去离子水中，于超声仪中以超声频率50KHz超声分散0.5h，得到浓度为5mg/mL的氧化石墨烯分散液。
取8mL氧化石墨烯分散液，加入120mg还原剂柠檬酸铵，以超声频率50KHz超声分散10min，得到反应混合液。
将所述反应混合液置于带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封，置于烘箱中，升温至180℃水热反应2h。
反应结束后停止加热，将产物冷却至25℃，得到石墨烯凝胶。
将上述得到的石墨烯凝胶反复用无水乙醇、去离子水洗涤5次后，浸泡在由乙醇和去离子水以1∶15的体积比组成的混合溶液中透析24h，置换出凝胶中的液体。
透析后的凝胶置于超低温冷冻箱中，-78℃下预冻3h后，再置于真空度8Pa的冷冻干燥机中，-80℃下冷冻干燥36h，得到最终产物氮掺杂石墨烯气凝胶。
经检测，该氮掺杂石墨烯气凝胶密度约为6.28mg/cm3，孔隙率约为99.7%。
实施例4。
取60mg氧化石墨烯，加入到30mL去离子水中，于超声仪中以超声频率50KHz超声分散0.5h，得到浓度为2mg/mL的氧化石墨烯分散液。
取15mL氧化石墨烯分散液，加入240mg还原剂柠檬酸铵，以超声频率50KHz超声分散10min，得到反应混合液。
将所述反应混合液置于带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封，置于烘箱中，升温至150℃水热反应6h。
反应结束后停止加热，将产物冷却至25℃，得到石墨烯凝胶。
将上述得到的石墨烯凝胶反复用无水乙醇、去离子水洗涤5次后，浸泡在由乙醇和去离子水以1∶12的体积比组成的混合溶液中透析6h，置换出凝胶中的液体。
透析后的凝胶置于超低温冷冻箱中，-78℃下预冻8h后，再置于真空度8Pa的冷冻干燥机中，-80℃下冷冻干燥24h，得到最终产物氮掺杂石墨烯气凝胶。
经检测，该氮掺杂石墨烯气凝胶密度约为4.61mg/cm3，孔隙率约为99.8%。
实施例5。
取20mg氧化石墨烯，加入到10mL去离子水中，于超声仪中以超声频率50KHz超声分散0.5h，得到浓度为2mg/mL的氧化石墨烯分散液。
取3mL氧化石墨烯分散液，加入18mg还原剂柠檬酸铵，以超声频率50KHz超声分散10min，得到反应混合液。
将所述反应混合液置于带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封，置于烘箱中，升温至120℃水热反应3h。
反应结束后停止加热，将产物冷却至25℃，得到石墨烯凝胶。
将上述得到的石墨烯凝胶用无水乙醇、去离子水洗涤5次后，浸泡在由乙醇和去离子水以1∶18的体积比组成的混合溶液中透析36h，置换出凝胶中的液体。
透析后的凝胶置于超低温冷冻箱中，-78℃下预冻0.5h后，再置于真空度8Pa的冷冻干燥机中，-80℃下冷冻干燥72h，得到最终产物氮掺杂石墨烯气凝胶。
经检测，该氮掺杂石墨烯气凝胶密度约为4.53mg/cm3，孔隙率约为99.8%。
比较例1。
取30mg氧化石墨烯，加入到10mL去离子水中，于超声仪中以超声频率50KHz超声分散0.5h，得到浓度为3mg/mL的氧化石墨烯分散液。
将氧化石墨烯分散液置于带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封，置于烘箱中，升温至180℃水热反应3h。
反应结束后停止加热，将产物冷却至25℃，得到石墨烯凝胶。
将上述得到的石墨烯凝胶反复用无水乙醇、去离子水洗涤5次后，浸泡在由乙醇和去离子水以1∶20的体积比组成的混合溶液中透析48h，置换出凝胶中的液体。
透析后的凝胶置于超低温冷冻箱中，-78℃下预冻24h后，再置于真空度8Pa的冷冻干燥机中，-80℃下冷冻干燥48h，得到不掺氮的普通石墨烯气凝胶。
经检测，该石墨烯气凝胶密度约为7.28mg/cm3。
图4给出了实施例1制备的氮掺杂石墨烯气凝胶和对比例1制备的不掺氮普通石墨烯气凝胶的SEM扫描电镜形貌图。可以看出，氮掺杂石墨烯气凝胶显示出一个由随机定向石墨烯片组成的分层和相互关联的多孔网络结构，孔径从几十纳米到几百纳米不等。独特的三维多孔结构可以在很大程度上防止π−π相互作用和范德华力引起的石墨烯片聚集。而比较例1制备的普通石墨烯气凝胶中，石墨烯片层发生严重堆积，表面较为平坦。
通常情况下，完美石墨的密度为2.2g/cm3，因此，检测出气凝胶的密度，则可以根据以下公式(1)推算出气凝胶的孔隙率。
Φ=1-ρ/ρ0 （1）
其中，Φ代表孔隙率，ρ代表气凝胶密度，ρ0代表石墨的密度。
结合SEM扫描及孔隙率计算结果，可以证明本发明能够有效抑制石墨烯片在组装过程中的堆积，增加气凝胶内部孔隙，显著提升材料的机械强度。
比较例2。
取30mg氧化石墨烯，加入到10mL去离子水中，于超声仪中以超声频率50KHz超声分散0.5h，得到浓度为3mg/mL的氧化石墨烯分散液。
取5mL氧化石墨烯分散液，加入75mg还原剂柠檬酸钠，以超声频率50KHz超声分散10min，得到反应混合液。
将所述反应混合液置于带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封，置于烘箱中，升温至120℃水热反应12h。
反应结束后停止加热，将产物冷却至25℃，得到石墨烯凝胶。
将上述得到的石墨烯凝胶反复用无水乙醇、去离子水洗涤5次后，浸泡在由乙醇和去离子水以1∶20的体积比组成的混合溶液中透析48h，置换出凝胶中的液体。
透析后的凝胶置于超低温冷冻箱中，-78℃下预冻24h后，再置于真空度8Pa的冷冻干燥机中，-80℃下冷冻干燥48h，得到最终产物石墨烯气凝胶。
该石墨烯气凝胶体积皱缩严重且形貌异常毛糙。经检测，密度约为11.73mg/cm3。
对实施例1制备的氮掺杂石墨烯气凝胶以及比较例1和比较例2制备的普通石墨烯气凝胶进行应力应变测试。
在制备的氮掺杂石墨烯气凝胶样品和普通石墨烯气凝胶样品上分别放置m=100g(＞10000倍自重)的砝码使其压缩。
当样品的形变量ε=90%时撤去砝码，氮掺杂石墨烯气凝胶样品基本能迅速恢复至初始高度；而比较例1与比较例2的普通石墨烯气凝胶均发生了不可逆形变，高度分别约为初始态的10%和23%。
在形变量ε=50%时撤去砝码，使样品自然恢复，再放置砝码至形变量ε=50%，如此反复10次，进行压缩回弹测试。实验结果显示氮掺杂石墨烯气凝胶样品的高度仅降低了约3.2%，而比较例1和比较例2样品经过10次压缩回弹后，高度分别降低了约34%和21%。
上述结果表明，本发明制备的氮掺杂石墨烯气凝胶有效克服了普通石墨烯气凝胶较脆易碎的缺点，具有优异的压力回弹性能。
图5是实施例1制备氮掺杂石墨烯气凝胶的机械压缩测试照片。放置砝码后，其压缩应变达到90%，而撤去砝码后，基本能迅速恢复至初始高度。
比较例3。
取20mg氧化石墨烯，加入到10mL去离子水中，于超声仪中以超声频率50KHz超声分散0.5h，得到浓度为2mg/mL的氧化石墨烯分散液。
取3mL氧化石墨烯分散液，加入18mg还原剂柠檬酸铵，以超声频率50KHz超声分散10min，得到反应混合液。
将所述反应混合液置于带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封，置于烘箱中，升温至120℃水热反应3h。
反应结束后停止加热，将产物冷却至25℃，得到石墨烯凝胶。
将得到的凝胶置于超低温冷冻箱中，-78℃下预冻24h后，再置于真空度8Pa的冷冻干燥机中，-80℃下冷冻干燥48h。最终得到产物为黑色粉末，未形成三维网络结构的石墨烯气凝胶。
比较例4。
取50mg氧化石墨烯，加入到10mL去离子水中，于超声仪中以超声频率50KHz超声分散0.5h，得到浓度为5mg/mL的氧化石墨烯分散液。
取8mL氧化石墨烯分散液，加入120mg还原剂柠檬酸铵，以超声频率50KHz超声分散10min，得到反应混合液。
将所述反应混合液置于带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封，置于烘箱中，升温至180℃水热反应2h。
反应结束后停止加热，将产物冷却至25℃，得到石墨烯凝胶。
将上述得到的石墨烯凝胶反复用无水乙醇、去离子水洗涤5次后，室温下干燥，得到呈干瘪状态、皱缩严重的石墨烯气凝胶。

Claims (10)

1.一种氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，是以氧化石墨烯的水分散液为前驱体，柠檬酸铵为掺氮剂和还原剂，采用一步水热法原位自组装形成氮掺杂石墨烯水凝胶，再经透析、冷冻干燥后，制备得到超轻、高弹的氮掺杂石墨烯气凝胶。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征是所述柠檬酸铵的用量为氧化石墨烯质量的0.1～15倍。
3.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征是所述氧化石墨烯水分散液的浓度为2～6mg/mL。
4.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征是采用超声处理方式将氧化石墨烯分散在水中形成水分散液前驱体。
5.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征是所述水热反应温度为100～180℃。
6.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征是所述水热反应时间为2～12h。
7.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征是所述的透析是将水凝胶用无水乙醇和去离子水反复洗涤，再浸泡于乙醇去离子水混合溶液中，透析至混合溶液变至无色透明。
8.根据权利要求7所述的氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征是所述透析时间为6～48h。
9.根据权利要求7所述的氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征是所述乙醇去离子水混合溶液中，乙醇与去离子水的体积比为1∶(10～20)。
10.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征是所述的冷冻干燥是将水凝胶先在-78℃下预冻0.5～48h，再置于冷冻干燥机中，在温度-80℃、真空度8Pa条件下冷冻干燥24～72h。
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