[发明专利]一种氧化石墨烯和石墨烯中空纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯和石墨烯中空纤维的制备方法，所述方法为湿法纺丝法，属于氧化石墨烯及石墨烯材料制备技术领域。

背景技术

由碳原子构成的单层片状石墨烯（Graphene），具有很高的机械强度、弹性、导热率以及电子迁移率（100,000cm²·V^-1·s^-1）。石墨烯可用于场效应晶体管、高频器件、超级微处理器和单分子探测器等。而由石墨烯为基本单元构成的三维结构材料，如薄膜和块状材料，可应用于可控透气性膜、各向异性离子传导体、超级电容器、锂离子电池以及能源催化等功能材料领域。

石墨烯研究和应用中的一个主要难题是石墨烯宏观结构的有效组装，目前比较成功的组装是得到三维结构的薄膜和块状。在组装宏观结构为一维结构的石墨烯方面；虽然目前已有制备得到石墨烯纤维，但是，由于石墨烯本身的溶解度低以及粘性差，所以难以制备石墨烯中空纤维。目前有关石墨烯中空纤维的制备方法中，仅见曲良体等（C.Hu,Y.Zhao,H.Cheng,Y.Wang,Z.Dong,C.Jiang,X.Zhai,L.Jiang and L.Qu,Nano Letter2012,12,5879-5884.）的文献报道，该文献公开将氧化石墨烯溶液注入到内部装有铜丝的毛细管中，进行水热合成石墨烯/铜丝的纤维，冷却后将铜丝除去得到中空的石墨烯微纳米管。所述曲良体等文献报道的方法制备的石墨烯微纳米管有一定的柔韧度，但是所述方法不能连续化生产，只能得到石墨烯微纳米管，不能得到氧化石墨烯中空纤维，而且所述方法中的后续处理和除杂操作均耗时很长，有待改进或发展新方法。

发明内容

针对现有技术中尚无氧化石墨烯中空纤维的制备方法，以及现有石墨烯中空纤维放入制备方法不能实现大批量、连续化生产及后期处理和除杂时间较长的缺陷，本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯和石墨烯中空纤维的制备方法，所述方法为湿法纺丝法，可在一种方法的不同步骤中分别得到氧化石墨烯中空纤维和石墨烯中空纤维，不需要后续处理。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种氧化石墨烯和石墨烯中空纤维的制备方法，所述方法步骤如下：

（1）将外层溶液和内层溶液分别输入同轴针头的外层和内层，将外层溶液注射到接收溶液中，得到含水氧化石墨烯中空纤维，干燥，得到氧化石墨烯中空纤维；

其中，所述外层溶液为20～25mg·mL^-1的氧化石墨烯溶液，内层溶液和接收溶液均为物质的量浓度≥3mol/L的KCl的甲醇溶液；内层溶液的流速为0.6ml/min；外层溶液的流速≥0.1ml/s；

氧化石墨烯溶液通过本领域制备氧化石墨烯溶液的常规方法制备，可采用改进的Hummers法制备；

内层溶液的流速可通过同轴针头内层连接注射泵控制；外层溶液的流速可通过同轴针头外层连接气压计控制；

同轴针头优选内层直径为500μm，壁厚为200μm，外层直径为1000μm；

（2）氧化石墨烯中空纤维还原得到石墨烯中空纤维；

所述还原为本领域将氧化石墨烯还原得到石墨烯的常规方法；

可采用热处理还原或氢碘酸还原；具体地说，热处理还原为在空气中400℃热处理氧化石墨烯中空纤维1h，得到石墨烯中空纤维；氢碘酸还原为用氢碘酸在80℃下处理氧化石墨烯中空纤维8h，得到石墨烯中空纤维。

步骤（1）中的外层溶液或内层溶液中加入纳米功能颗粒混合均匀，可制备得到功能化的氧化石墨烯和石墨烯中空纤维；所述纳米功能颗粒可为荧光粉纳米颗粒、SiO₂纳米颗粒或TiO₂纳米颗粒。

步骤（1）中的同轴针头内层为空气时，通过控制空气的流速可以制得中空部分大小可控的氧化石墨烯中空纤维。

有益效果

1.本发明提供了一种氧化石墨烯和石墨烯中空纤维的制备方法，由于氧化石墨烯表面富含氧等功能基团，相互之间作用力比较强，能够均匀的分散在水溶液中，并具有一定程度的粘性，所以所述方法通过氧化石墨烯单元构筑得到氧化石墨烯中空纤维，操作过程简便，用纯净的氧化石墨烯可以直接得到氧化的石墨烯中空纤维，不需要后续处理和除杂；可大量获得氧化石墨烯中空纤维，在短时间（30秒）内就可以制备出长达1米的含水氧化石墨烯中空纤维；

2.本发明提供了一种氧化石墨烯和石墨烯中空纤维的制备方法，所述方法利用的构筑材料氧化石墨烯来源广泛，成本低，可以大量连续生产；