CN111204747B - 一种三维石墨烯材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及碳材料制备技术领域，针对三维石墨烯材料的制备步骤繁杂、能耗大，且制得的三维石墨烯材料的石墨烯片层也大多呈现无序的微观结构的问题，提供一种三维石墨烯材料的制备方法，包括步骤：（1）用压力氧化石墨的工艺制备氧化石墨烯；（2）将氧化石墨烯在有机溶剂中超声分散得到氧化石墨烯溶液；（3）将碱溶液和有机溶剂混合得混合溶液，将氧化石墨烯溶液与所述混合溶液接触20‑60 min，制得三维石墨烯材料。本发明不需要使用昂贵、精密的设备和冗长繁琐的工艺，产品在常温条件下即时成型不需额外能耗，具有快捷、减耗的优点，且制得的三维石墨烯的石墨烯片层有序排列，可以广泛地用于电荷存储、污染物吸附以及微波吸收等领域。

Description

一种三维石墨烯材料的制备方法
技术领域
本发明涉及碳材料制备技术领域，尤其是涉及一种三维石墨烯材料的制备方法。
背景技术
三维石墨烯具有良好的机械强度、比表面积、多孔结构等性能，使得三维石墨烯材料在储能电池、超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面有着良好的应用前景。但是，在三维石墨烯的制备方法上依然存在很多不足。例如一篇中国专利公开号CN106045552A的专利公开了一种三维石墨烯宏观体制备方法，该发明利用水热自组装构建三维宏观体，同时在石墨烯宏观体的层状结构之间原位合成MOFs。该发明的优点是：制备的多级孔结构三维宏观体不仅具有高比表面积、还利于电解液离子的扩散与传输，且石墨烯和碳纳米管构建内交联结构作为导电网络利于电子的传输，有效降低了界面电阻，同时提高了超级电容器的比容量、倍率和循环性能；制得的石墨烯基宏观体结构稳定，具有高比表面积、高导电性，可应用于超级电容器中。但是该反应方法繁琐，且需在惰性气氛中、650～1000 ℃下反应1～5h，能耗高。据此，提供一种方便、快捷、低能耗的三维石墨烯制备方法。
发明内容
本发明为了克服三维石墨烯材料的制备步骤繁杂、能耗大且制得的三维石墨烯材料的石墨烯片层也大多呈现无序的微观结构的问题，提供一种三维石墨烯材料的制备方法，步骤简单、常温即可将无序的氧化石墨烯液相转变为不可流动、定向排列的石墨烯水凝胶，冷冻干燥后还可以获得石墨烯片层有序排列的气凝胶。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种三维石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）采用压力氧化石墨的工艺制备氧化石墨烯；
（2）将氧化石墨烯在有机溶剂中超声分散得到氧化石墨烯溶液；
（3）将碱溶液和有机溶剂混合得混合溶液，将步骤（2）的氧化石墨烯溶液与所述混合溶液接触20-60 min，制得三维石墨烯材料。
一定浓度的石墨烯在极性溶液中为向列型二维液晶材料，在剪切或拉伸流动下易于取向。当取向后的石墨烯液滴与碱性溶液接触时，常温条件下，碱性溶液即可脱除石墨烯表面的部分含氧官能团，使得临近的石墨烯片层自组装为水凝胶。因此本发明在生产过程中，不需要使用昂贵、精密的设备和冗长繁琐的工艺，产品常温下即时成型、不需额外能耗，具有快捷、减耗的优点。制得的三维石墨烯的石墨烯片层有序排列，可以广泛地用于电荷存储、污染物吸附以及微波吸收等领域。
作为优选，所述步骤（2）、（3）的有机溶剂均选自甲醇、乙醇、乙二醇和丙三醇中的一种或多种混合溶剂。
作为优选，所述步骤（2）制得的氧化石墨烯溶液的浓度为4-10 mg/mL。
作为优选，所述步骤（3）中的碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
作为优选，所述步骤（3）中的碱溶液浓度为5-10 wt%，碱溶液占混合溶液的体积百分比为10-80%。
作为优选，所述步骤（3）中的接触方式为将石墨烯溶液喷入或滴入混合溶液中。
作为优选，所述步骤（3）中的接触方式为将石墨烯溶液倒入模型中，再一起放入混合溶液中，制得的三维石墨烯材料具有模型的形状。
因此，本发明具有如下有益效果：（1）本发明制得的三维石墨烯的石墨烯片层有序排列；（2）成本低：生产过程中，不需要使用昂贵、精密的设备和冗长繁琐的工艺；（3）能耗低：产品在常温条件下即时成型，不需额外能耗；（4）产品应用范围广：所制备的片层有序排列的三维石墨烯材料可以广泛地用于电荷存储、污染物吸附以及微波吸收等领域。
附图说明
图1为实施例1所制备的水凝胶光学照片。
图2为实施例2所制备的水凝胶光学照片。
图3为实施例3所制备的气凝胶光学照片。
图4为实施例4所制备的气凝胶的扫描电镜照片。
图5为实施例5所制备的气凝胶的扫描电镜照片。
图6为实施例6所制备的水凝胶光学照片。
图7为实施例6所制备的气凝胶光学照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的，实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1
（1）采用压力氧化石墨的工艺制备氧化石墨烯：1 克石墨粉和6克高锰酸钾在聚四氟乙烯容器中均匀混合后，加入6毫升浓硫酸，然后在5摄氏度保持2小时。之后，将聚四氟乙烯容器与不锈钢高压釜组装在一起，移入鼓风烘箱，80摄氏度下保持2小时。自然冷却到室温后，将得到的泥浆小心地倒在冰上，然后滴加双氧水直至悬浊液变成金黄色。用热盐酸溶液浸泡、沉降、洗涤三次后，用去离子水离心、洗涤至接近中性。在100瓦功率下超声分散10分钟后，以5000 转每分钟的离心速度沉降6分钟，冷冻干燥上层液相，获得氧化石墨烯。
（2）配置氧化石墨烯溶液：称取30毫克上述氧化石墨烯，在5毫升乙醇中超声分散10分钟，得到6 毫克每毫升氧化石墨烯乙醇溶液。
（3）制备三维石墨烯材料：将上述氧化石墨烯溶液逐滴滴入含有15毫升10 wt% 氢氧化钠和15毫升乙醇的混合溶液中，搁置30分钟，即可制得石墨烯的水凝胶。通过过滤、离心洗涤去除碱和乙醇。所得到的球形水凝胶的光学照片如图1所示。
实施例2
称取50毫克实施例1的氧化石墨烯，在5毫升甲醇中超声分散10分钟，得到10 毫克每毫升氧化石墨烯甲醇溶液。然后将该溶液逐滴滴入含有3 毫升8 wt% 氢氧化钠和27毫升甲醇的混合溶液中，搁置20分钟，即可制得石墨烯的水凝胶。通过过滤、离心洗涤去除碱和甲醇。所得到的水凝胶的光学照片如图2所示。
实施例3
称取20毫克实施例1的氧化石墨烯，在5毫升乙二醇中超声分散10分钟，得到4毫克每毫升氧化石墨烯乙二醇溶液。然后将该溶液逐滴滴入含有15毫升5 wt% 氢氧化钾和15毫升乙二醇的混合溶液中，搁置60分钟，即可制得石墨烯的水凝胶。通过过滤、离心洗涤去除碱和乙二醇。冷冻干燥水凝胶后，所得到的气凝胶的光学照片如图3所示。
实施例4
称取40毫克实施例1的氧化石墨烯，在5毫升丙三醇中超声分散10分钟，得到8毫克每毫升氧化石墨烯丙三醇溶液。然后将该溶液逐滴滴入含有20毫升5 wt% 氢氧化钠溶液中和5毫升丙三醇的混合溶液中，搁置30分钟，即可制得石墨烯的水凝胶。通过过滤、离心洗涤去除碱和丙三醇。冷冻干燥水凝胶后，所得到的气凝胶的扫描电镜照片如图4所示。
实施例5
称取40毫克实施例1的氧化石墨烯，在5毫升乙醇中超声分散10分钟，得到8毫克每毫升氧化石墨烯乙醇溶液。然后将该溶液使用喷雾装置喷入含有50毫升5 wt% 氢氧化钠和50毫升乙醇的混合溶液中，搁置30分钟，即可制得石墨烯的水凝胶。通过过滤、离心洗涤去除碱和乙醇。冷冻干燥水凝胶后，所得到的气凝胶的显微结构如图5所示。
实施例6
称取200 毫克实施例1的氧化石墨烯，在25 毫升乙醇中超声分散10分钟，得到8毫克每毫升氧化石墨烯乙醇溶液。然后将该溶液倒入树叶形模具中，之后连同模具一起移入含有50毫升8 wt% 氢氧化钠和50毫升乙醇的混合溶液中，搁置30分钟，即可制得树叶形石墨烯的水凝胶。通过过滤、离心洗涤去除碱和乙醇。所得到的树叶形石墨烯的水凝胶光学照片如图6所示，冷冻干燥水凝胶后的气凝胶光学照片如图7所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种三维石墨烯材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采用压力氧化石墨的工艺制备氧化石墨烯；
（2）将氧化石墨烯在有机溶剂中超声分散得到氧化石墨烯溶液；
（3）将碱溶液和有机溶剂混合得混合溶液，所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾，碱溶液浓度为5-10 wt%，碱溶液占混合溶液的体积百分比为10-80%，将步骤（2）的氧化石墨烯溶液与所述混合溶液接触20-60 min，制得三维石墨烯水凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种三维石墨烯材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）、（3）的有机溶剂均选自甲醇、乙醇、乙二醇和丙三醇中的一种或多种混合溶剂。
3.根据权利要求1所述的一种三维石墨烯材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）制得的氧化石墨烯溶液的浓度为4-10 mg/mL。
4.根据权利要求1所述的一种三维石墨烯材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中的接触方式为将石墨烯溶液喷入或滴入混合溶液中。
5.根据权利要求1所述的一种三维石墨烯材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中的接触方式为将石墨烯溶液倒入模型中，再一起放入混合溶液中，制得的三维石墨烯材料具有模型的形状。
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