CN110563966B - 一种MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法 - Google Patents

一种MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法，该制备方法包括以下步骤：1)将MXene分散液和氧化石墨烯分散液混合后，进行水热反应，得到MXene/石墨烯复合凝胶；2)将MXene/石墨烯复合凝胶浸渍于聚乙烯醇溶液中，进行分子间氢键的形成，然后，循环冷冻解冻数次，得到MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶。本发明通过水热反应将石墨烯与MXene复合得到凝胶，不规则状MXene作为插入剂，进入到石墨烯片层间，可减弱石墨烯片层之间的聚集，使复合凝胶具有稳定的电化学性能，且本发明利用聚乙烯醇与MXene的氢键相互作用增强所得复合凝胶的弹性性能，使复合凝胶具有良好的压缩回复性能，另外，本发明的制备方法简单，复合凝胶组分可调，反应条件温和，有利于推广应用。

Description

一种MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，特别涉及一种MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法。
背景技术
石墨烯是一种具有二维平面结构的碳材料，具有优异的性能。但是石墨烯亲水性能较差，而且片层容易团聚堆叠在一起使得其表面积大大减小，降低了在复合材料中的性能。
MXene是由Gogotsi的课题组在2011年首次引入，是一种新型材料，具有与石墨烯类似的二维结构，有着导电性高，高比表面积和良好的亲水性能，已应用于能源、光学、电化学、催化等多个研究领域。
聚乙烯醇作为最常见的水溶性高分子之一，由于其生物相容性好，对人体无毒等特点被广泛研究。通过结构式可以看出其良好的柔顺性，易于结晶，羟基和羧基赋予聚乙烯醇非常活泼的化学性质和亲水性。但是，聚乙烯醇导电性较差。
凝胶材料是一类具有亲水基团，能被水溶胀但不溶于水的具有三维网状结构的柔软材料。
公开号为CN108579626A的中国发明专利公布了一种纤维素纳米晶体/石墨烯/聚乙烯醇气凝胶的制备方法，该发明将石墨烯和纤维素纳米晶体均匀混合，再加入聚乙烯醇水溶液中，再进行无机盐诱导和醇溶液置换，制成复合凝胶。但是上述方法制备的复合凝胶力学性能和电化学稳定性较差，凝胶的结构难以调控，在实际应用中受到了限制。因此，开发一种具有压缩回复性、电化学性能良好的复合凝胶具有十分重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法，以解决现有石墨烯复合材料力学性能和电化学稳定性较差的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将MXene分散液和氧化石墨烯分散液混合后，进行水热反应，得到MXene/石墨烯复合凝胶；
2)将所述MXene/石墨烯复合凝胶浸渍于聚乙烯醇溶液中，进行分子间氢键的形成，然后，循环冷冻解冻数次，得到MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶。
可选地，所述步骤1)中所述MXene分散液的浓度为1～5mg/mL，所述氧化石墨烯分散液的浓度为1～5mg/mL。
可选地，所述步骤1)中所述水热反应的反应温度为120～200℃，反应时间为12～24h。
可选地，所述步骤2)中所述聚乙烯醇溶液的温度为80～95℃，所述浸渍的浸渍时间为10min。
可选地，所述步骤2)中所述聚乙烯醇溶液的浓度为10-100mg/mL，且1mL所述聚乙烯醇溶液中含有2～10mg所述MXene/石墨烯复合凝胶。
可选地，所述步骤2)中所述循环冷冻解冻数次的冷冻温度为-70～-10℃，解冻温度为常温，循环冷冻解冻次数为3～20次。
相对于现有技术，本发明所述的MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法具有以下优势：
本发明通过水热反应将石墨烯与MXene复合得到凝胶，不规则状MXene作为插入剂，进入到石墨烯片层间，可减弱石墨烯片层之间的聚集，使复合凝胶具有稳定的电化学性能，且本发明利用聚乙烯醇与MXene的氢键相互作用增强所得复合凝胶的弹性性能，使复合凝胶具有良好的压缩回复性能，另外，本发明的制备方法简单，复合凝胶组分可调，反应条件温和，有利于推广应用。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1的MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶在反复压缩20次后高度保持情况的测试结果图；
图2为本发明实施例1的MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶未压缩和压缩到初始高度50％时的循环伏安曲线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合附图和实施例来详细说明本发明。
实施例1
本实施例的MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将10mL 2mg/mL MXene分散液和10mL 2mg/mL石墨烯分散液混合后搅拌30min，在120℃进行水热反应12h，得到40mgMXene/石墨烯复合凝胶；
2)将所得MXene/石墨烯复合凝胶浸渍于82℃的体积为10mL、浓度为50mg/mL的聚乙烯醇溶液中10min，进行分子间氢键的形成，然后，在-70℃和常温下循环冷冻解冻3次，得到MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶。
图1为本实施例所得复合凝胶经过500g砝码经过反复压缩20次的高度保持情况测试结果。
由图1可以看出：所得MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶经反复压缩20次后，仍可基本保持其最初状态，具有优异的压缩回复性能。
图2为用CHI-660C型电化学工作站测试未压缩和压缩到初始高度为50％时的复合凝胶的循环伏安曲线，以3mol/L的硫酸溶液作为电解质，用三电极体系，其中以复合凝胶压片电极作为工作电极，铂丝电极作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，测试电压范围为-0.7-0.3V，测试在200mV/s的扫描速率下进行。
由图2可以看出：未压缩和压缩到初始高度为50％的循环伏安曲线基本重合，表明其有稳定的电化学性能。
实施例2
本实施例的MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将10mL 3mg/mL MXene分散液和10mL 2mg/mL石墨烯分散液混合后搅拌30min，在150℃进行水热反应15h，得到50mgMXene/石墨烯复合凝胶；
2)将所得MXene/石墨烯复合凝胶浸渍于85℃的体积为10mL、浓度为20mg/mL的聚乙烯醇溶液中10min，进行分子间氢键的形成，然后，在-50℃和常温下循环冷冻解冻10次，得到MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶。
实施例3
本实施例的MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将10mL 4mg/mL MXene分散液和10mL 2mg/mL石墨烯分散液混合后搅拌30min，在160℃进行水热反应16h，得到60mgMXene/石墨烯复合凝胶；
2)将所得MXene/石墨烯复合凝胶浸渍于90℃的体积为10mL、浓度为30mg/mL的聚乙烯醇溶液中10min，进行分子间氢键的形成，然后，在-40℃和常温下循环冷冻解冻12次，得到MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶。
实施例4
本实施例的MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将10mL 5mg/mL MXene分散液和10mL 2mg/mL石墨烯分散液混合后搅拌30min，在170℃进行水热反应18h，得到70mgMXene/石墨烯复合凝胶；
2)将所得MXene/石墨烯复合凝胶浸渍于92℃的体积为10mL、浓度为60mg/mL的聚乙烯醇溶液中10min，进行分子间氢键的形成，然后，在-20℃和常温下循环冷冻解冻15次，得到MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶。
实施例5
本实施例的MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将10mL 5mg/mL MXene分散液和10mL 4mg/mL石墨烯分散液混合后搅拌30min，在180℃进行水热反应20h，得到90mgMXene/石墨烯复合凝胶；
2)将所得MXene/石墨烯复合凝胶浸渍于95℃的体积为10mL、浓度为80mg/mL的聚乙烯醇溶液中10min，进行分子间氢键的形成，然后，在-15℃和常温下循环冷冻解冻16次，得到MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶。
实施例6
本实施例的MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将10mL 4mg/mL MXene分散液和10mL 4mg/mL石墨烯分散液混合后搅拌30min，在200℃进行水热反应24h，得到80mgMXene/石墨烯复合凝胶；
2)将所得MXene/石墨烯复合凝胶浸渍于94℃的体积为10mL、浓度为100mg/mL的聚乙烯醇溶液中10min，进行分子间氢键的形成，然后，在-10℃和常温下循环冷冻解冻20次，得到MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (2)

1.一种MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将MXene分散液和氧化石墨烯分散液混合后，进行水热反应，得到MXene/石墨烯复合凝胶；
2)将所述MXene/石墨烯复合凝胶浸渍于聚乙烯醇溶液中，进行分子间氢键的形成，然后，循环冷冻解冻数次，得到MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶；
所述步骤1)中所述MXene分散液的浓度为1～5mg/mL，所述氧化石墨烯分散液的浓度为1～5mg/mL；
所述步骤1)中所述水热反应的反应温度为120～200℃，反应时间为12～24h；
所述步骤2)中所述聚乙烯醇溶液的温度为80～95℃，所述浸渍的浸渍时间为10min；
所述步骤2)中所述聚乙烯醇溶液的浓度为10-100mg/mL，且1mL所述聚乙烯醇溶液中含有2～10mg所述MXene/石墨烯复合凝胶。
2.根据权利要求1所述的MXene/石墨烯/聚乙烯醇复合凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中所述循环冷冻解冻数次的冷冻温度为-70～-10℃，解冻温度为常温，循环冷冻解冻次数为3～20次。
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