CN110127686A - 一种改进碳基材料性能的方法和一种改进型碳基材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种改进碳基材料性能的方法和一种改进型碳基材料，涉及碳基材料技术领域。本发明将碳基材料悬浮液在密封容器中进行恒温热处理；所述碳基材料为氧化石墨烯；所述恒温热处理的温度为30～80℃，时间小于等于20天。本发明通过恒温热处理能够加速碳基材料中环氧基团的羟基转变，而碳基材料由亚稳态向羟基增加和环氧减少的这种结构进行转化，可显著增强碳基材料片层之间的氢键作用，从而增强碳基材料的性能。本发明通过便捷的热处理过程即可显著增强碳基材料的悬浮稳定性、亲水性和机械性能，并可通过调节热处理的条件实现对光子带隙的灵活调节，具有良好的应用前景。

Description

一种改进碳基材料性能的方法和一种改进型碳基材料
技术领域
本发明涉及碳基材料技术领域，特别涉及一种改进碳基材料性能的方法和一种改进型碳基材料。
背景技术
碳元素可以形成多种晶体结构，比较常见的结构有金刚石和石墨。自19世纪Brodie首次制备出氧化石墨烯以来，氧化石墨烯凭借其特有的结构及出色的电学、光学、机械性能及亲水性等，受到了人们的的密切关注。
单片层氧化石墨烯由于其优异的物理化学性能，在离子和分子筛选、水脱盐和净化、气体分离、生物传感、质子导体、锂电池和超级电容等领域有巨大的潜在应用。氧化石墨烯的含氧量、含氧类型对机械强度、导电、亲水性等性能有直接关系(Advanced FunctionalMaterials,2009,9(16):2577-2583)。
然而，通过Hummers法等化学、物理方法制备的氧化石墨烯是一种亚稳态材料(Nature Materials,2012,11(6):544-549)，其自身的亚稳态，再加上制备方法、实验条件以及石墨来源的不同，导致氧化石墨烯的含氧量、结构存在差异，使得氧化石墨烯悬浮液性能差异较大，这很大程度上限制了氧化石墨烯在各个领域的研究和应用。因此，开发一种便捷的方法改进氧化石墨烯悬浮液性能，以获得性能更为优良的材料成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种改进碳基材料性能的方法和一种改进型碳基材料。本发明通过便捷的热处理过程即可显著增强碳基材料的悬浮稳定性、亲水性和机械性能以及实现对光子带隙的灵活调节。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种改进碳基材料性能的方法，包括以下步骤：
将碳基材料悬浮液在密封容器中进行恒温热处理；所述碳基材料为氧化石墨烯；所述恒温热处理的温度为30～80℃，时间小于等于20天。
优选地，所述碳基材料悬浮液的溶剂为水、乙醇、丙酮和二甲基亚砜中的一种或几种。
优选地，所述碳基材料悬浮液的质量浓度为0.01～10mg/mL。
优选地，所述碳基材料悬浮液的体积为1～100mL。
优选地，所述恒温热处理之前还包括对所述碳基材料悬浮液进行超声处理。
优选地，所述恒温热处理之后还包括对所得材料进行冷却。
优选地，所述冷却为自然冷却。
本发明提供了以上方案所述方法改进后得到的改进型碳基材料。
本发明提供了一种改进碳基材料性能的方法，本发明将碳基材料悬浮液在密封容器中进行恒温热处理；所述碳基材料为氧化石墨烯；所述恒温热处理的温度为30～80℃，时间小于等于20天。本发明通过恒温热处理能够加速碳基材料中环氧基团的羟基转变，而碳基材料由亚稳态向羟基增加和环氧减少的这种结构进行转化，可显著增强碳基材料片层之间的氢键作用，从而增强碳基材料的性能。本发明通过便捷的热处理过程即可显著增强碳基材料的悬浮稳定性、亲水性和机械性能，并且可通过调节热处理的条件实现对碳基材料光子带隙的灵活调节，具有良好的应用前景。
本发明提供了一种改进型碳基材料，以碳基材料为原料，由以上技术方案所述方法改进后得到。本发明提供的改进型碳基材料为新型碳基材料，具有良好的悬浮稳定性、亲水性和机械性能以及可实现对光子带隙的灵活调节性。
附图说明
图1为实施例1、对比例1和对比例2制备得到的氧化石墨烯水悬浮液的实物图；
图2为实施例1和对比例2制备得到的氧化石墨烯水悬浮液的Zeta电位图；
图3为实施例1和对比例2制备得到的氧化石墨烯水悬浮液的紫外吸收谱图；
图4为实施例1和对比例2制备得到的氧化石墨烯水悬浮液的光子带隙图；
图5为实施例1和对比例2对应的氧化石墨烯膜的应力-应变曲线图；
图6为实施例1和对比例2对应的氧化石墨烯膜的拉伸强度图；
图7为实施例1、对比例1和对比例2对应的氧化石墨烯膜的XPS图；
图8为不同浓度的经过热处理后的氧化石墨烯水悬浮液的紫外吸收谱；
图9为不同浓度的经过热处理后的氧化石墨烯水悬浮液的光子带隙图。
具体实施方式
本发明提供了一种改进碳基材料性能的方法，包括以下步骤：
将碳基材料悬浮液在密封容器中进行恒温热处理；所述碳基材料为氧化石墨烯；所述恒温热处理的温度为30～80℃，时间为小于等于20天。
在本发明中，所述碳基材料为氧化石墨烯，优选为通过改良Hummers方法制备的氧化石墨烯；本发明对所述氧化石墨烯的制备批次、实验条件和石墨来源没有特别的要求。在本发明中，所述碳基材料悬浮液的溶剂优选为水、乙醇、丙酮和二甲基亚砜中的一种或几种。在本发明中，所述碳基材料悬浮液的质量浓度优选为0.01～10mg/mL，更优选为5mg/mL；本发明通过限定所述碳基材料悬浮液的浓度，能够保证经过后续热处理的碳基材料的亲水性及机械性能得到极大增强，并有利于实现对碳基材料光子带隙的灵活调节。在本发明中，所述碳基材料悬浮液的体积优选为1～100mL，更优选为30mL。本发明对所述碳基材料悬浮液的制备方法没有特别的要求，采用本领域熟知的方法将碳基材料分散在所述溶剂中即可。为保证碳基材料悬浮液的均匀性，本发明还优选对所述碳基材料悬浮液进行超声处理；本发明对所述超声处理的频率和时间没有特别的要求，能够保证所述碳基材料悬浮液的均匀性即可。
在本发明中，所述密封容器优选为离心管，本发明优选将所述经过超声处理的碳基材料悬浮液加入至离心管中，然后使用封口膜对所述离心管进行密封。本发明对所述离心管没有特别的要求，采用本领域熟知的离心管即可。本发明在密封容器中对碳基材料悬浮液进行恒温热处理，可避免在敞开容器中进行热处理而导致的悬浮液中水分蒸发进而对悬浮液的分散性和性状产生不利影响。
本发明中，所述恒温热处理的温度为30～80℃，优选为50～70℃，时间小于等于20天，优选为3～15天。本发明对所述恒温热处理的方法没有特别的要求，采用本领域熟知的方法保证所需的温度和时间即可，例如使用烘箱加热。本发明通过恒温热处理能够加速碳基材料中环氧基团的羟基转变，而碳基材料由亚稳态向羟基增加和环氧减少的这种结构进行转化，可显著增强碳基材料片层之间的氢键作用，从而增强碳基材料的性能。本发明通过便捷的热处理过程即可显著增强碳基材料的悬浮稳定性、亲水性和机械性能，并且可通过对热处理温度的调节实现对光子带隙的灵活调节，具有良好的应用前景。
恒温热处理之后，本发明还优选对所得材料进行冷却。在本发明中，所述冷却优选为自然冷却。
本发明提供了一种改进型碳基材料，以碳基材料为原料，由以上技术方案所述方法改进后得到。在本发明中，碳基材料经过不同温度的恒温热处理后被不同程度的还原，因此，得到的改进型碳基材料为不同还原程度的碳基材料，具体的改进型碳基材料为不同还原程度的氧化石墨烯悬浮液，并可进一步制备成不同还原程度的氧化石墨烯膜，而这些均在本发明所述的改进型碳基材料的范围内。本发明提供的改进型碳基材料为新型碳基材料，具有良好的悬浮稳定性、亲水性和机械性能以及对光子带隙的灵活调节性。本发明提供的改进型碳基材料可以在常温常压下或其它不破坏碳基材料结构的环境下长久保存。
下面结合实施例对本发明提供的改进碳基材料性能的方法和改进型碳基材料进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将90mL质量浓度为5mg/mL的氧化石墨烯(以GO表示)水悬浮液充分超声使之均匀，各取30mL分装入三只离心管中，使用封口膜密封隔绝空气，其中两只离心管分别放入50℃、70℃烘箱热处理3天得到新型碳基材料，分别记为GO-50℃、GO-70℃。
对比例1
将实施例1中的第三只装有氧化石墨烯水悬浮液的离心管放入90℃烘箱热处理3天，得到的碳基材料记为GO-90℃。
对比例2
氧化石墨烯水悬浮液不经过热处理，其余同实施例1，记为Normal-GO。
分别对实施例1、对比例1和对比例2得到的碳基材料(氧化石墨烯水悬浮液)进行表征和性能测试，具体如下：
图1为实施例1、对比例1和对比例2得到的氧化石墨烯水悬浮液的实物图。从图1可以看出，经过热处理后，碳基材料发生了变化，热处理后的碳基材料颜色更黑，说明经过热处理，碳基材料的物理化学性质发生明显变化。
图2为实施例1和对比例2得到的氧化石墨烯水悬浮液的Zeta电位图。从图2可以看出，与对比例2相比，经过实施例1热处理(50℃、70℃)后碳基材料的悬浮稳定性和亲水性明显增强；而经过对比例1热处理(90℃)后的碳基材料团聚严重，而无法测定其Zeta电位。
图3为实施例1和对比例2得到的氧化石墨烯水悬浮液的紫外吸收谱图，图4为由图3的紫外吸收谱和Taucplot算法得到的光子带隙图。从图4中可以看出，经过实施例1不同温度热处理后碳基材料的光子带隙发生了改变；而经过对比例1热处理后的碳基材料团聚严重，而无法测定其紫外吸收光谱。
分别取实施例1、对比例1和对比例2得到的氧化石墨烯水悬浮液1mL滴涂于光滑疏水纸表面，放入70℃烘箱干燥8h，得到氧化石墨烯膜，用于对所得碳基材料进行机械性能和XPS的检测，检测结果分别如图5、图6、图7所示：
其中，图5为实施例1和对比例2对应的氧化石墨烯膜的应力-应变曲线图，图6为实施例1和对比例2对应的氧化石墨烯膜的拉伸强度图；从图5和图6可以看出，经过实施例1热处理后的碳基材料机械性能明显增强，而经过对比例1热处理后的碳基材料团聚严重，无法通过滴涂成膜测其机械性能。
其中，图7为实施例1、对比例1和对比例2对应的氧化石墨烯膜的XPS图(注：经过对比例1热处理后的碳基材料团聚严重，无法通过滴涂成膜测其机械性能，但是可滴涂得到收缩的小块状氧化石墨烯团聚物用于测定XPS)；从图7可以看出，与对比例2相比，经过实施例1热处理能够加速碳基材料中环氧基团的羟基转变，即环氧基团减少、羟基增加；而经过对比例1热处理后的碳基材料羟基减少，经90℃热处理氧化石墨烯已在一定程度上被还原，团聚严重。
实施例2
将60mL质量浓度为6mg/mL的氧化石墨烯水悬浮液充分超声使之均匀，各取30mL分装入两只离心管中，使用封口膜密封隔绝空气，分别放入50℃、70℃烘箱热处理三天得到新型碳基材料。
实施例3
将60mL质量浓度为8mg/mL的氧化石墨烯水悬浮液充分超声使之均匀，各取30mL分装入两只离心管中，使用封口膜密封隔绝空气，分别放入50℃、70℃烘箱热处理三天得到新型碳基材料。
实施例4
将60mL质量浓度为1mg/mL的氧化石墨烯水悬浮液充分超声使之均匀，各取30mL分装入两只离心管中，使用封口膜密封隔绝空气，分别放入50℃、70℃烘箱热处理三天得到新型碳基材料。
实施例5
将60mL质量浓度为0.05mg/mL的氧化石墨烯水悬浮液充分超声使之均匀，各取30mL分装入两只离心管中，使用封口膜密封隔绝空气，分别放入50℃、70℃烘箱热处理三天得到新型碳基材料。
按照实施例1的方法，对实施例2～5得到的碳基材料(氧化石墨烯水悬浮液)进行表征和性能测试，结果显示，实施例2～5得到的碳基材料的悬浮稳定性、亲水性和机械性能增强。不同浓度的经过热处理后的氧化石墨烯水悬浮液的紫外吸收谱图如图8所示，由图8的紫外吸收谱图和Taucplot算法得到的光子带隙图如图9所示；图8和图9中，Normal-GO表示浓度为5mg/mL不经过热处理的氧化石墨烯水悬浮液，GO-70℃-0.05表示浓度为0.05mg/mL经过70℃热处理的氧化石墨烯水悬浮液，GO-70℃-1.0表示浓度为1mg/mL经过70℃热处理的氧化石墨烯水悬浮液，GO-70℃-5.0表示浓度为5mg/mL经过70℃热处理的氧化石墨烯水悬浮液。从图9中可以看出，不同浓度的氧化石墨烯悬浮液经过热处理后其光子带隙发生了改变。
通过以上实施例可知，本发明通过便捷的热处理过程即可显著增强碳基材料的悬浮稳定性、亲水性和机械性能，并可通过调节热处理的条件实现对光子带隙的灵活调节，具有良好的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种改进碳基材料性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将碳基材料悬浮液在密封容器中进行恒温热处理；所述碳基材料为氧化石墨烯；所述恒温热处理的温度为30～80℃，时间小于等于20天。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳基材料悬浮液的溶剂为水、乙醇、丙酮和二甲基亚砜中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述碳基材料悬浮液的质量浓度为0.01～10mg/mL。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳基材料悬浮液的体积为1～100mL。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述恒温热处理之前还包括对所述碳基材料悬浮液进行超声处理。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述恒温热处理之后还包括对所得材料进行冷却。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述冷却为自然冷却。
8.一种改进型碳基材料，其特征在于，以碳基材料为原料，由权利要求1～7任意一项所述方法改进后得到。
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