CN112093794A

CN112093794A - 一种石墨烯光驱动材料及其制备方法

Info

Publication number: CN112093794A
Application number: CN202010941487.9A
Authority: CN
Inventors: 范骁; 陈珏; 彭心意; 熊平; 池贤彬; 黄雷
Original assignee: Changsha New Material Industry Research Institute Co Ltd
Current assignee: Changsha New Material Industry Research Institute Co Ltd
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2020-12-18
Anticipated expiration: 2040-09-09
Also published as: CN112093794B

Abstract

本发明旨在提供一种石墨烯材料的制备方法，通过将石墨烯分散在水中，经过高温水合热反应，真空干燥得到具有光驱动性能的石墨烯材料，该方法使用的原料易得，仅使用水作为溶剂，不使用和引入任何有机溶剂，相比现有技术更加节能环保，制备流程更短能耗更低，制备得到的石墨烯材料具有光驱动性能。

Description

一种石墨烯光驱动材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种石墨烯材料及其改进制备方法，特别涉及一种石墨烯光驱动材料及其制备方法。

背景技术

在2015年6月，南开大学陈永胜教授和田建国教授领导的科研团队发现氧化石墨烯凝胶材料在激光、太阳光等光源照射下产生宏观可观测的运动现象，该实验现象和初步研究成果在《Nature photonics》期刊上发表，在学术界引起了巨大的反响。石墨烯光致推进现象，是一种区别于化学推进、电推进，无工质、无电能消耗，完全利用光能的推进技术，并且具备较高的推进效率，很有可能催生新一代的航天推进技术。

石墨烯光致推进是全新的物理现象，虽然其准确的物理原理还有待研究确认，但该现象的真实性不容置疑。石墨烯光致推进系统预期将具备广阔的应用前景，尤其是在航天动力系统领域，有很大的潜力发展成为一种高效低耗的、利用太阳光能的新一代推进技术。石墨烯的光推进技术不仅可以催生一种利用太阳光的有效推进系统，也可以应用于其他环境下的光推进系统，利用石墨烯材料对光的响应特性，亦可以进一步研发航天器光控制系统和光探测系统，例如卫星的姿态控制。若该技术最终走向工程应用，将会引领新一代航天器设计变革，进一步降低航天成本，推动航天蓬勃发展。可以实现航天器对太阳光的高效利用，实现依靠太阳光的宏观推进，可以大幅提高低轨通信、遥感、科学实验等航天器的寿命与持续机动能力。为航天技术的进步奠定坚实的基础，有利推动航天产业快速发展。

现有公开的石墨烯光驱动材料制备技术，“一种基于石墨烯的光驱动材料的制备方法及其应用”(CN104310386B)和“一种石墨烯材料，其制备方法及其作为光驱动材料的用途”(CN107043100A)分别公开了使用有机溶剂作为氧化石墨烯的分散剂，利用水进行置换制备光驱动材料的方法，但其制备流程长，有机溶剂的大量使用造成成本高、环保性差的缺点。如何得到一种制备流程短、节能、环保、低成本的制备方法，对于工业化生产石墨烯光驱动材料、推广其应用范围具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种石墨烯材料的制备方法，起始原料易得，无有机溶剂使用更加绿色环保，制备流程更短能耗更低，制备得到的石墨烯材料具有光驱动性能。

本发明提供一种石墨烯材料的制备方法，包含步骤如下：

步骤1:将氧化石墨烯分散在水中，氧化石墨烯水溶液浓度在0.5-4mg/mL之间，pH在6-8之间；

步骤2：将上述水溶液在温度为120-180℃下进行高温水合热反应，反应时间为8-12小时；

步骤3：真空干燥处理，在不高于80℃下进行真空干燥处理。

步骤1中，可以通过改变溶液浓度和反应容器的尺寸，调节最终得到的石墨烯光驱动材料密度和体积。

通过研究意外的发现，不需要使用有机溶剂，直接使用水作为分散溶剂便可以制备得到具有光驱动性能的石墨烯材料。直接使用水作为石墨烯的分散溶剂，避免了现有技术中使用有机溶剂作为分散剂，最后置换成水的步骤，缩短了产品的生产程序，同时避免了有机溶剂使用带来的高成本和环境污染。

同时研究发现，当采用水作为分散溶剂时，当石墨烯浓度过高或者过低的情况下，石墨烯分散在水中，经过步骤2的高温水合热反应，其得到的中间产物中石墨烯以粉末状分散在水中，并无海绵状石墨烯材料，海绵状石墨烯材料是制备多孔石墨烯材料的基础，无法得到海绵状石墨烯则意味着无法得到光驱动石墨烯材料。

此外，研究还发现，试验的pH环境对光驱动石墨烯材料的制备同样重要。石墨烯材料的制备方法、后处理工艺对应石墨烯的性质有一定的影响，不同的石墨烯原料在水溶液中呈现出不同的pH值。在试验过程中可以通过添加酸性、碱性物质调控石墨烯水溶的pH值在6-8范围内。研究发现，当pH值过低或者过高时，步骤2的高温水合热反应同样会出现无法得到海绵状石墨烯材料的现象，从而无法得到光驱动石墨烯材料。

进一步优选的，步骤1中的石墨烯水溶液pH优选为6.5-7。

进一步优选的，步骤1中氧化石墨烯水溶液浓度在1-3mg/mL之间。

进一步地，所述氧化石墨烯单层厚度小于0.2nm，并含有—OH、—COOH、—O—等多种官能团，含氧量在10-50wt％。

所述氧化石墨烯为由石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，可使用粉状、片状氧化石墨烯或直接使用其商品化水溶液。

进一步地，步骤1中为确保氧化石墨烯的分散均匀性，可使用搅拌、超声处理，使得氧化石墨烯充分、良好地分散，得到水溶液液。也可以直接使用满足要求的分散均匀的商品化氧化石墨水溶液。

进一步地，步骤2的一种优选的实现方式为，将步骤1所得的石墨烯水溶液转移到高压反应釜中，然后将釜密封，放入预加热的烘箱中，加热到预定的温度反应。

可以知晓的是，本领域技术人员通过其他反应设备，如带有加热功能的密闭反应釜，将温度升高至所述的温度，同样可以达到所需的效果。本领域技术人员也可以在其他的非密闭或半连续的反应设备中，控制其反应温度，并控制其反应压力与其在密闭容器中的反应压力相同或着类似，在对应的反应时间下，也可以实现本发明的技术效果。

进一步地，步骤3中的干燥方式采取真空梯度加热的方式进行，一种优选的方式为：在25-40℃温度下干燥0.5-10小时，升温至60-80℃，继续干燥1-10h，最终制得石墨烯光驱动材料。

研究发现，过高的真空干燥温度，比如当干燥温度超过80℃时，会导致石墨烯多孔结构塌陷，从而无法得到多孔的石墨烯材料，无法得到具有光驱动性能的石墨烯。

本发明还提供一种石墨烯材料，该材料由以上的制备方法制备得到。由于本发明的制备方法中不需要使用有机溶剂，因而本发明制备得到的光驱动材料中，可能存在的有机物杂质含量更低，纯度更高。

有益效果

1.所述制备过程仅使用水作为溶剂，不使用和引入任何有机溶剂，本发明中制备的石墨烯光驱动材料为多孔海绵状结构，高孔隙率，低密度；

2.石墨烯光驱动材料具有良好的吸光性能，可吸收从可见光到紫外光区域的光，并产生推动力；

3.石墨烯材料具有光致驱动特性，在真空下，利用激光、短弧氙灯或长弧氙灯产生的模拟日光照射石墨烯光驱动材料，石墨烯的光驱动材料的样品在光源的照射下被推动、被举起或者旋转；

4.该方法使用原料易得，制备过程无污染，制备流程简单能耗较低，适用于大批量生产，更利于石墨烯光驱动材料的工程化应用。

附图说明

图1实施例2石墨烯光驱动材料样品图。

图2实施例2石墨烯光驱动材料的扫描电镜图。

图3石墨烯光驱动材料光致驱动现象测试设备照片。

图4对比例1得到石墨烯材料。

图5对比例3得到的石墨烯材料。

图6石墨烯光驱动材料的制备方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例所制备石墨烯材料的光驱动性能测试条件为：将光驱动材料放置在真空环境或者真空装置中，真空度不得大于10Pa。真空装置可为全透明透光材料或局部具有透光窗口，对于透光材料或透光窗口材质要求光源能照射到石墨烯光驱动材料即可。

光驱动水平实验

将得到的石墨烯光驱动材料放置到平置透明普通玻璃管中，抽真空真空度0.1Pa，使用波长为633nm的红色激光和532nm的绿色激光照射石墨烯光驱动材料，石墨烯光驱动材料可一直前行；换方向照射，石墨烯光驱动材料仍可向另一方向持续前进。

光驱动垂直实验

将得到的石墨烯光驱动材料放置到竖直透明普通玻璃管中，抽真空真空度0.1Pa，使用波长为633nm的红色激光和532nm的绿色激光照射石墨烯光驱动材料，石墨烯光驱动材料可被推起。

以下实施例所有试剂原材料均为市售所得。

实施例1

步骤1.将粉状氧化石墨烯溶解于水中，经搅拌，超声处理，使得氧化石墨烯充分、良好地分散，得到氧化石墨烯水溶液浓度为0.5mg/ml，调节溶液pH为6；

步骤2.将60ml上述氧化石墨烯水溶液装入100ml聚四氟乙烯内衬中，之后将内衬装入不锈钢反应釜中密封，将釜密封后放入预加热的烘箱中，在温度为120℃下进行高温溶剂热反应，反应时间为10小时，待反应釜冷却至室温后，取出制备得到的石墨烯材料，置于容器中；

步骤3.将放置石墨烯材料的容器放入真空烘箱中，烘箱抽真空到0.1Pa,升温至40℃,干燥1h；升温至60℃，继续干燥2h，得到石墨烯光驱动材料。所得石墨烯材料经试验验证，具有光驱动性能。

实施例2

步骤1.将片状氧化石墨烯溶解于水中，经搅拌，超声处理，使得氧化石墨烯充分、良好地分散，得到氧化石墨烯水溶液浓度为1mg/ml，溶液pH为7；

步骤2.将上述60ml氧化石墨烯水溶液装入100ml聚四氟乙烯内衬中，之后将内衬装入不锈钢反应釜中密封。将釜密封后放入预加热的烘箱中，在温度为160℃下进行高温溶剂热反应，反应时间为12小时，待反应釜冷却至室温后，取出制备得到的石墨烯材料，置于容器中；

步骤3.将放置石墨烯材料的容器放入真空烘箱中，烘箱抽真空到0.1Pa,升温至40℃,干燥1h；升温至60℃，继续干燥4h，得到石墨烯光驱动材料。所得石墨烯材料经试验验证，具有光驱动性能。

实施例3

步骤1.将粉状或片状氧化石墨烯溶解于水中，经搅拌，超声处理，使得氧化石墨烯充分、良好地分散，得到氧化石墨烯水溶液浓度为4mg/ml，溶液pH为8；

步骤2.将上述60ml氧化石墨烯水溶液装入100ml聚四氟乙烯内衬中，之后将内衬装入不锈钢反应釜中密封。将釜密封后放入预加热的烘箱中，在温度为180℃下进行高温溶剂热反应，反应时间为12小时，待反应釜冷却至室温后，取出制备得到的石墨烯材料，置于容器中；

实施例4

步骤1.将购买得到的氧化石墨烯溶液(浓度为3mg/ml,pH为6.5)超声处理，进一步分散；

对比例1

步骤1.将粉状氧化石墨烯溶解于水中，经搅拌，超声处理，使得氧化石墨烯充分、良好地分散，得到氧化石墨烯水溶液浓度为0.2mg/ml，溶液pH为6.5；

步骤2.将上述60ml氧化石墨烯水溶液装入100ml聚四氟乙烯内衬中，之后将内衬装入不锈钢反应釜中密封。将釜密封后放入预加热的烘箱中，在温度为180℃下进行高温溶剂热反应，反应时间为12小时，待反应釜冷却至室温后，打开反应釜黑色粉末分散在水溶液中，无海绵状石墨烯材料，无法制备成光驱动材料。

对比例2

步骤1.将片状氧化石墨烯溶解于水中，经搅拌、超声处理，使得氧化石墨烯充分、良好地分散，得到氧化石墨烯水溶液浓度为1mg/ml，溶液pH为5；

步骤2.将上述60ml氧化石墨烯水溶液装入100ml聚四氟乙烯内衬中，之后将内衬装入不锈钢反应釜中密封。将釜密封后放入预加热的烘箱中，在温度为180℃下进行高温溶剂热反应，反应时间为12小时，待反应釜冷却至室温后，打开反应釜黑色粉末分散在水溶液中，无海绵状石墨烯材料。

对比例3

步骤1.将粉状或片状氧化石墨烯溶解于水中，经搅拌，、超声处理，使得氧化石墨烯充分、良好地分散，得到氧化石墨烯水溶液浓度为4mg/ml，溶液pH为6.5；

步骤3.将放置石墨烯材料的容器放入真空烘箱中，烘箱抽真空到0.1Pa,升温至90℃,干燥1h，石墨烯材料脱水，结构塌陷。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理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

1.一种石墨烯材料的制备方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤3：真空干燥处理，在不高于80℃下进行真空干燥处理。

2.如权利要求1所述的石墨烯材料的制备方法，其特征在于：步骤1中的石墨烯水溶液pH优选为6.5-7。

3.如权利要求1所述的石墨烯材料的制备方法，其特征在于：步骤1中氧化石墨烯水溶液浓度在1-3mg/mL之间。

4.如权利要求1所述的石墨烯材料的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯单层厚度小于0.2nm，并含有—OH、—COOH、—O—等多种官能团，含氧量在10-50wt％。

5.如权利要求1所述的石墨烯材料的制备方法，其特征在于：使用搅拌、超声处理，使得氧化石墨烯充分、良好地分散，得到水溶液液。

6.如权利要求1所述的石墨烯材料的制备方法，其特征在于：步骤2的实现方式为，将步骤1所得的石墨烯水溶液转移到高压反应釜中，然后将釜密封，放入预加热的烘箱中，加热到预定的温度反应。

7.如权利要求1所述的石墨烯材料的制备方法，其特征在于：步骤3中的干燥方式采取真空梯度加热的方式进行。

8.如权利要求7所述的石墨烯材料的制备方法，其特征在于：在25-40℃温度下干燥0.5-10小时，升温至60-80℃，继续干燥1-10h，最终制得石墨烯光驱动材料。

9.一种石墨烯材料，其特征在于：采用如权利要求1-8中任一项的方法制备得到。

10.如权利要求9所述的石墨烯材料，其特征在于：该材料具有光驱动性能。