[发明专利]一种石墨烯气凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及气凝胶技术领域，特别涉及一种石墨烯气凝胶及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维晶体结构。石墨烯的制备方法主要有四种：化学气相沉积法、透明胶带(Scotchtape)法或称之为机械剥离法、晶体表面外延生长法、胶体化学合成法。其中，胶体化学合成法是利用化学的方法还原已经被剥离成单层结构的氧化石墨。在高分子表面活性剂如聚苯乙烯磺酸钠或小分子如丁酸芘酯存在时，采用水合联胺或硼氢化钠还原氧化石墨，就可以得到稳定的石墨烯水性胶体溶液。石墨烯稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)的性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯的厚度仅为一个碳原子直径(0.142nm)，它是世界上已知的最薄材料。不仅如此，科学家通过使用原子尺寸的金属和钻石探针对石墨烯进行穿刺以测试它们的强度，得到的结果令人大为吃惊：石墨烯的强度比世界上最好的钢铁还高100倍，它是当今世界上已知的强度最高的材料。石墨烯的高电导性和低电阻率使其在微电子领域具有巨大的应用潜力，研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。石墨烯良好的热稳定性为其在高温领域的应用提供了物质基础。石墨烯的轻薄为制备超轻型飞机材料提供了可能，而利用它的超高强度可能来制造超坚韧的防弹衣。而利用其比表面积大、电导率高等优点可以将其作为电极材料、传感器、储氢材料等。

另一方面，气凝胶是具有低密度和高比表面积的高度多孔性纳米材料。它是采用特殊工艺(一般指超临界干燥或者低温冷冻干燥)把湿凝胶中的液体用气体来置换而不显著改变凝胶网络的结构或者体积而得到的。碳气凝胶最早于1989年由美国的Pekala以间苯二酚和甲醛为原料，在碱性条件下经溶胶-凝胶过程和超临界干燥制得的气凝胶再经碳化而得到的。炭气凝胶的出现是气凝胶材料研究中具有开创性的进展，它将气凝胶材料从无机界扩展到了有机界，从电的不良导体扩展到了导电体，开创了气凝胶材料新的应用领域。间苯二酚和甲醛是炭气凝胶的制备中使用的最多的前驱体。与此方法类似制备出的炭气凝胶前驱体还有，三聚氰胺和甲醛凝胶，混甲酚和甲醛凝胶，酚醛树脂和甲醛凝胶，均三甲苯和甲醛凝胶、聚异氰酸酯和甲醛凝胶等。

作为一种新型的多孔结构材料，炭气凝胶是纳米级胶体粒子或高聚物分子构成的多孔性非晶固体材料，其多孔率达80％-99.8％，孔洞尺寸一般＜50nm，比表面积高达200-1200m2/g。因为超凡的结构和特点，炭气凝胶在很多领域有着广泛的应用。首先，炭气凝胶可以应用于其它气凝胶应用的场合，例如：切仑可夫(Cerenkov)探测器、声阻耦合材料、催化剂及催化剂载体、气体过滤材料、高效隔热材料等。另外，炭气凝胶还具有生物机体相容性，使得其可以用于制造人造生物组织，人造器官及器官组件，医用诊断剂及胃肠外给药体系的药物载体。在其他领域，如吸附剂、色谱分析填料、分子筛等方面，炭气凝胶也有着广泛的用途。此外，炭气凝胶是一种具有导电性的气凝胶，可用于电极材料。将炭气凝胶作为双层电容器电极的比电容高达25F/g以上，其内阻在1欧姆以下，漏电流小于1mA。

在基于传统的碳气凝胶的基础上，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提供一种气凝胶及其制备方法，制备方法简单，且制备的气凝胶能够结合石墨烯的特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯气凝胶及其制备方法，该方法的工艺简单，且制备的气凝胶能够具备石墨烯的特性。

为了解决上述问题，本发明公开了一种石墨烯气凝胶的制备方法，包括：

在中性、酸性或者碱性水溶液中，加入氧化石墨，进行超声分散或者机械搅拌直到形成均匀的氧化石墨烯溶液；所述氧化石墨烯溶液稳定存在至少0.5～24小时；

将所述氧化石墨烯溶液的温度调至水的沸点和冰点温度之间，加入还原剂的水溶液，搅拌30秒～30分钟后，在室温和水的沸点温度之间静置2～48小时，得到石墨烯水凝胶；

通过对所述石墨烯水凝胶进行干燥，获得石墨烯气凝胶。

优选的，采用冷冻干燥的方式对石墨烯水凝胶直接进行干燥。