[发明专利]一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料和技术领域，具体涉及一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶及其制备方法和应用。该气凝胶是由氧化石墨烯(GO)和聚吡咯纳米管(PNT)为原料复合而得，制备方法主要涉及GO/PNT混合溶液的制备、冷冻干燥及GO/PNT气凝胶高温热处理等关键步骤。本发明制备的气凝胶具有多孔性、高导电性等特点，可以用于超级电容器电极材料；同时，高温煅烧的气凝胶显示了超强的疏水性，有利于其在油水分离等方面的应用。本发明提供的石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶的制备方法简单易行，重复性好，原材料便宜易得，便于实现大规模制备。

背景技术

石墨烯是一种sp²杂化共轭碳原子的二维、单层薄片，由于其优异的电学、热学和机械性能而受到广泛关注。然而，将纳米级的石墨烯从科学概念转化为现实技术及材料，特别是将石墨烯组装成宏观材料并发挥其特有的高性能，仍然具有挑战。石墨烯气凝胶是最具潜力的三维石墨烯材料之一，它具有高孔隙率、高比表面积和高导电性，因而在能量存储、化学催化、油水分离等领域广泛应用。为了满足人们对先进材料多功能性的日益增长的要求，通常将石墨烯与另一类纳米材料(包括有机高分子、无机纳米粒子、碳纳米管等)复合制备出具有特殊结构和性能的新型石墨烯基杂化气凝胶。目前，用于制备高质量石墨烯基杂化气凝胶的最常用的技术是水热法。但是，水热法的主要缺点是实验操作复杂及产量较小，因而不适合用于工业上的大规模生产。

冷冻干燥法是另一种吸引人的制备气凝胶的方法，它具有产量大、操作方便的优点。但是，冷冻干燥法却不能用来直接制备石墨烯气凝胶，这是因为石墨烯自身不溶于水、缺少足够的相互作用来推动自组装过程。GO作为石墨烯的重要前体，其表面和边缘含有大量氧化基团，有利于其分散和加工。以GO为初始原料，人们利用冷冻干燥法和热处理技术成功制备了石墨烯气凝胶。但到目前为止，这个技术却鲜有用于石墨烯基杂化气凝胶的制备，主要问题在于，常用的纳米材料包括Fe₃O₄纳米粒子、碳纳米管、聚吡咯纳米粒子/线等都有强烈的团聚倾向，不易分散于水中。例如，虽然很多科学家报道了石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶，但却几乎全部使用水热法。因此，实现冷冻干燥法制备石墨烯基杂化气凝胶仍然是一个巨大挑战。

发明内容

本发明的内容是一种石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶的简单而高产量的制备方法。以GO和PNT分别代替石墨烯和聚吡咯纳米粒子/线为初始原料，依次通过超声分散、冷冻干燥、高温热处理等主要步骤获得三维结构的石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶。

本发明最主要的特点在于，工艺流程简单、可大量制备，所得石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶结构新颖，用作超级电容器电极显示出较高的比电容和较好的循环寿命，用于有机溶剂吸附剂时也显示出较高的吸附能力和二次使用特性。

本发明的实施方法，首先将合成所得的GO和PNT按照一定质量比(2:1~1:2)分散于水溶液中，经过搅拌和超声分散，获得混合均匀的悬浮液(固液比为1:20~1:200)；然后液氮中淬冷上述混合物约30 min，并冷冻干燥得到GO/PNT杂化气凝胶；最后通过高温热处理即可获得石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶。

本发明所述GO可通过任意方法制备，通常从石墨出发，利用Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法及在这些方法基础上进行改进的各种方法制备。

本发明所述PNT可通过甲基橙-氯化铁自降解模板法合成制备而得，具有一维、空心、管状结构。

本发明热处理温度可以选择200~800℃之间任何温度，确保GO还原成石墨烯。热重分析显示，PNT在300 ℃以下是稳定的，因此热处理温度在200-300 ℃时，材料均为石墨烯/聚吡咯气凝胶；300-800 ℃时，聚吡咯发生碳化，实际上得到的是石墨烯/碳化聚吡咯气凝胶。

具体实施方式

以下通过实施例进一步详细说明石墨烯/聚吡咯杂化气凝胶的制备方法。然而，这些实施例仅仅是提供作为说明而不是限定本发明。

实施例1：

将50 mg GO分散于10 mL水中，超声1 h；取50 mg PNT分散于10 mL水中，超声1 h；将以上两份溶液混合后，继续超声1 h获得分散均匀的悬浮液。液氮淬冷后将所得固态混合物经过冷冻干燥，得到多孔GO/PNT气凝胶，记作GPA。将GPA至于管式马弗炉中，在氩气保护下200 ℃煅烧1h，所得最终产物经SEM、TGA、XRD和FTIR表征为石墨烯/聚吡咯气凝胶。