[发明专利]基于石墨氧化物的孔径可调的纳米多孔材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域中石墨氧化物纳米多孔材料的制备方法，具体 涉及一种基于石墨氧化物的孔径可调的纳米多孔材料的制备方法。

背景技术

多孔石墨材料是石墨在应用中的一种主要的产品形式。目前多孔石墨的制备 方法主要是通过热化学方法或电化学方法，将天然的鳞片状石墨原材料进行插层 处理，然后在高温环境下进行膨化而获得具有高孔隙率的多孔的石墨材料，接着 再通过碾压成型的方法大面积的制备多孔石墨产品。多孔石墨产品很多方面都有 应用，包括用作吸附材料，油污清理材料，屏蔽材料，密封材料；还可以用作催 化剂，固定化载体及固体电解液等。

但是采用现有的高温膨化的方法制备的多孔石墨的孔隙比较粗大，一般都在 微米级以上。过大的孔隙严重约束了多孔石墨的各项性能，包括吸附能力、传热 换热能力和隔音能力等。因此，利用各种物理的和化学的方法来获得具有纳米级 孔隙的多孔石墨材料显得意义非凡。制备纳米级石墨多孔材料不仅可以提高石墨 多孔材料的各项性能，还能够产生一些基于纳米尺度的新颖的效应和性能，这对 于拓展石墨多孔材料的应用范围和开发其潜在应用具有非常重要的作用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种构筑具有纳米级孔隙的石墨多孔材料的方法，该 方法制备的石墨多孔材料的孔隙大小均在纳米尺度，其孔结构是通过共价键或金 属配位键的连接构筑形成的，因此孔结构相对较稳定，且可选用的修饰分子的范 围广，可以在较大范围内调节材料的孔径大小。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的基于石墨氧化物的孔径可调的纳米多孔材料的制备方法，其具 体步骤如下：

(1)片状石墨氧化物的制备

以天然鳞片石墨作为原材料，以浓硫酸和硝酸钠作为插层剂，以高锰酸钾作 为氧化剂对其进行热化学的插层处理：将天然鳞片石墨和硝酸钠加入到浓硫酸 中，得到的混合物用冰水浴冷却，并在冰水浴冷却下加入高锰酸钾；所述混合物 各组分的重量比为天然鳞片石墨：硝酸钠：浓硫酸：高锰酸钾＝1：0.5-1：45-80： 3-5；所述热化学的插层处理条件为20-40℃温度范围内反应120小时；

反应结束后撤去冰水浴，加入3wt％的双氧水溶液，将剩余的高锰酸钾以及 反应中生成的二氧化锰转变成硫酸锰，得到亮黄色的悬浮液；所加入的3wt％双 氧水溶液与上述高锰酸钾的重量比为1：1.5；

之后用去离子水反复洗涤至悬浮液中没有硫酸根离子；再将悬浮液用 3000-8000rpm进行离心分离，得到的上层溶液为分散于去离子水中的片状石墨 氧化物去离子水溶液；

然后将得到的片状石墨氧化物去离子水溶液经冷冻干燥得到粉末状片状石 墨氧化物，或者用极性的有机溶剂对所得到的片状石墨氧化物去离子水溶液进行 溶剂交换得到片状石墨氧化物有机溶剂悬浮液；

(2)对片状石墨氧化物的修饰构筑

采用下述两种修饰方法中的任一种分别对步骤(1)得到的粉末状片状石墨 氧化物或片状石墨氧化物有机溶剂悬浮液进行修饰，将得到的混合物再用溶剂洗 涤除去未反应的修饰分子，构筑得到基于片状石墨氧化物的孔径可调的纳米多孔 材料：

(a)直接修饰法：将粉末状片状石墨氧化物超声分散于干燥的极性有机溶剂 中，在氮气保护及25℃-150℃反应温度范围内用带有2个活泼官能团的刚性 有机分子或者表面修饰有2至10个活泼官能团的纳米粒子对其中的片状石墨氧 化物进行修饰，将得到的混合物再用溶剂洗涤除去未反应的修饰分子，构筑得到 基于片状石墨氧化物的孔径可调的纳米多孔材料；或

直接将所述片状石墨氧化物有机溶剂悬浮液在氮气保护及25℃-150℃的 反应温度下用带有2个活泼官能团的刚性有机分子或者表面修饰有2至10个活 泼官能团的纳米粒子对其中的片状石墨氧化物进行修饰，将得到的混合物再用溶 剂洗涤除去未反应的修饰分子，构筑得到基于片状石墨氧化物的孔径可调的纳米 多孔材料；

(b)超分子构筑法：先用一端连接有活泼官能团的具有配位组装功能的配位 组装功能分子修饰粉末状片状石墨氧化物或片状石墨氧化物有机溶剂悬浮液中 的片状石墨氧化物，然后再引入过渡金属离子和两端都连接有配位组装功能分子 的不同长度的刚性有机分子，利用配位组装功能分子和刚性有机分子两端的配位 组装功能分子与过渡金属离子之间的配位组装构筑得到基于片状石墨氧化物的 孔径可调的纳米多孔材料。