[发明专利]一种泡沫石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，尤其涉及一种泡沫石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子采用SP²杂化堆积而成的二维蜂巢状晶体点阵的碳质材料，其特殊结构使其具有优异的性质，如高的机械强度和热导性、奇特的电学性质和光学性质。除了上述特性外，石墨烯还具有独特的p键共扼吸附作用和化学催化活性。石墨烯的发现者Andre Geim和Kostya Novoselov于2010年获得诺贝尔物理学奖，其获奖的根源就在于石墨烯在吸附、催化等众多方面具有极其广阔的应用前景。

石墨烯的二维结构特点使其易团聚，难以有效发挥石墨烯大的比表面积的特性，使其在吸附催化方面受到限制。目前，与二维石墨烯相比，三维石墨烯泡沫为以无缝连接的方式构成全连通的网络，具有极低的密度、高孔的隙率和比表面积，同时具有优异的电荷传导和热传导能力，可扩展石墨烯的物性和应用空间，为石墨烯在导电、导热复合材料、电磁屏蔽、吸波、催化、传感及储能材料等领域的应用奠定基础。

目前，泡沫石墨烯的制备方法主要有两种：一种是比较常见的化学气相沉积法，利用泡沫状金属镍（Ni）或铜（Cu）作为催化剂，通入碳源在高温高压条件下生成泡沫状的石墨烯，但是其制备石墨烯所需理想的基片材料的制备过程复杂，且所需设备价格昂贵，不适合大规模生产应用。另一种是模板法，采用球状的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯或无机化合物二氧化硅等作为模板，与氧化石墨烯的溶液混合搅拌，得到表面吸附氧化石墨的复合微球，再还原、去除模板得到泡沫石墨烯。目前报道的靠物理作用得到的石墨烯壳层的吸附量较少，制备的泡沫石墨烯的孔隙率和产率都较低。

发明内容

为克服二维石墨烯难以分散，且现有石墨烯生产工艺中存在的成本较高、产率低的难题，本发明目的在于提供一种泡沫石墨烯的制备方法，拓宽其在吸附催化领域的应用，其制备工艺简单、成本较低，产率高和易于结构调控的特点，可用于大规模的工业化生产。

本发明报道的一种泡沫石墨烯的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）将氧化石墨在溶剂中通过超声分散得到分散均匀的悬浮液，然后在搅拌下，加入含有二胺类或二巯基类化合物的乙醇溶液，在氮气（N₂）保护下进行回流反应2-24h，反应温度为60-120℃；最后冷却抽滤、洗涤、干燥，即得到表面氨基或巯基处理的石墨烯；所述二胺类或二巯基类化合物的用量为氧化石墨重量的2-20倍；

（2）将分散剂溶于分散介质，加入到反应器中，在氮气氛围下，水浴升温加热至65-85 ^oC，然后加入单体及引发剂引发聚合，保温搅拌反应6-14h，得到表面带有羧基或环氧基的聚合物微球的悬浮液；所述单体与分散介质的质量比为(20-35):(80-65)；所述单体包括第一单体和第二单体；

（3）通过超声分散或机械搅拌的方法，将上述步骤（1）制备的表面处理的氧化石墨分散在乙醇中，加入到步骤（2）的悬浮液中，降温到40-70 ^oC，反应1-4h，离心分离、干燥即可得氧化石墨烯-聚合物复合微球的粉末；

（4）将步骤（3）制备的复合微球粉末在惰性气氛下，于500-800 ^oC的管式炉中煅烧5min-1h，此过程中聚合物的模板被去除，同时氧化石墨烯被热还原，得到泡沫石墨烯。

所述步骤（1）中二胺类化合物选自乙二胺、丙二胺、己二胺、邻苯二胺、间苯二胺、对苯二胺、二氨基二苯醚、二氨基二苯砜、二氨基二苯甲烷中的一种。

所述步骤（1）中二巯基类化合物选自1,2-丙二硫醇、1,3-丙二硫醇、双(巯基乙酸)乙二醇、二(巯基乙酸)-1,4-丁二酯中的一种。

所述步骤（1）中二胺或二巯基类化合物的乙醇溶液浓度为(0.05-0.25)g/ml。

所述步骤（1）中溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、乙醚中的一种。其中，氧化石墨和溶剂的质量体积比为0.5-2g/200mL。

所述步骤（2）中第一单体为苯乙烯（St）或甲基丙烯酸甲酯（MMA）中的一种，第二单体为丙烯酸(HAc)或甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)，二者质量配比为1:(3-15)%；

所述步骤（2）中的分散剂选自聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚乙烯醇；所述分散介质为甲醇、乙醇、异丙醇与水中的一种或两种；所述的引发剂是油溶性引发剂偶氮二异丁腈 (AIBN)、过氧化二苯甲酰(BPO)或偶氮二异庚腈（AIVN)。

所述步骤（2）中分散剂、引发剂分别为单体质量的(1-5) %:(0.5-2)%。