[发明专利]一种石墨烯气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明为气凝胶的制备领域，尤其涉及一种石墨烯气凝胶及其制备方法。

背景技术

石墨烯（Graphene）是由sp2杂化碳原子组成的，呈周期蜂窝点阵结构，其厚度很小，可以翘曲成零维富勒烯（Fullerene），卷绕成一维碳纳米管（Carbon Nanotube）或堆垛成三维石墨（Graphite）。石墨烯具有良好的导电、导热、力学等物理性能，自2004年首次被科学家成功制备出以来（Novoselov,K.S.et al.Science.2004,306,666）就受到了科学家们的广泛关注，在电池、超级电容器、药物传递等方面具有广泛的应用。

气凝胶（Aerogel）又称为干凝胶，是具有极低密度、高比表面积、极高孔洞率与超高孔体积率的多分枝纳米多孔三维网络结构的纳米材料，其空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状。其中，碳气凝胶是由球状碳纳米粒子相互连接而成的一种纳米级多孔气凝胶，其是典型的中孔材料。石墨烯气凝胶，又称为石墨烯干凝胶，是以石墨烯为基本结构单元的三维多孔纳米材料，具有极低密度、高比表面积和高度多孔性，因此可作为超级电容器的电极材料等被广泛应用。

目前，气凝胶一般是采用溶胶-凝胶法制备，即先利用交联剂的交联特性制得湿凝胶（即水凝胶），然后经过干燥得到。对于石墨烯气凝胶而言，有些报道采用氧化石墨烯与交联剂（例如**二胺）混合，使二者发生交联反应得到氧化石墨烯溶胶（即水凝胶），然后经过干燥、还原得到石墨烯气凝胶。但是这种方法中，氧化石墨烯与交联剂发生交联反应时，氧化石墨烯的结构单元发生了变化，导致所生成的石墨烯气凝胶中石墨烯的原本结构发生变化，从而使石墨烯原有的导电、导热、力学等性能受到影响。

因此，如何在保持石墨烯原有的结构特征的情况下制得石墨烯气凝结，从而最大程度地利用石墨烯优良的导电、导热、力学等性能，是本领域科技工作者研究的重要课题之一。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述石墨烯气凝胶制备方法中所存在的不足，提供一种制备石墨烯气凝胶的新方法，利用该方法制得的气凝胶能够保持石墨烯原有的结构特征，从而得到优良的导电、导热、力学等性能。

本发明人为了实现上述技术目的，突破了现有制备石墨烯气凝结时往往采用交联剂与氧化石墨烯进行交联而得到溶胶的方法，大胆尝试采用非交联剂，即与氧化石墨烯没有交联作用的试剂进行混合。经过大量实验后本发明人发现，当采用聚四氟乙烯、聚乙烯醇（PVA）、聚偏氟乙烯（PVDF）、羧甲基纤维素钠（CMC）等粘结高分子聚合物，并且通知控制其与氧化石墨烯的质量比，能够预想不到地成功制得氧化石墨烯溶胶，其中氧化石墨烯与该粘结高分子聚合物仅通过粘结作用而形成溶胶，然后经过干燥、还原得到石墨烯气凝胶。与通过交联反应生成的石墨烯气凝胶相比，该石墨烯气凝胶具有更好的的导电、导热、力学性能。

本发明提供的技术方案具体为：一种石墨烯气凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、氧化石墨烯（Graphene oxide）均匀分散于去离子水中，配制浓度为1mg/mL～5mg/mL的氧化石墨烯溶液，然后调节其PH为8～11；

步骤2、将聚合物分散于去离子水中，配制浓度为10mg/mL～50mg/mL的聚合物溶液；所述的聚合物是聚四氟乙烯（PTFE）、聚乙烯醇（PVA）、聚偏氟乙烯（PVDF）、羧甲基纤维素钠（CMC）中的一种；

步骤3、将步骤1中的氧化石墨烯溶液与步骤2中的聚合物溶液均匀混合，其中氧化石墨烯与聚合物的质量比控制为10:1～1:10，然后在水热反应釜中热处理，得到氧化石墨烯溶胶；

步骤4、将氧化石墨烯溶胶干燥，得到固态氧化石墨烯凝胶，然后经还原得到石墨烯凝胶。

所述的步骤1中，氧化石墨烯的制备方法不限，其中Hummer’s化学法制备氧化石墨是本领域中常用的方法，即：将天然石墨、硝酸钠、浓硫酸混合并置于冰水浴中机械搅拌均匀，然后加入高锰酸钾搅拌反应，再将所得的反应产物稀释后加入过氧化氢以除去过量的高锰酸钾，最后用盐酸与去离子洗涤后得到氧化石墨。

所述的步骤3中，作为优选，氧化石墨烯与聚合物的质量比控制为5:1～1:5。

所述的步骤3中，作为优选，热处理温度为80℃～120℃，热处理时间为10～24小时。