[发明专利]一种石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米多孔材料-碳气凝胶技术领域，具体涉及一种石墨烯交联的聚酰亚胺基碳气凝胶材料及其制备方法，所述的石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶可用作催化剂载体、储氢材料、吸附材料及超级电容器或锂离子电池的电极材料等。

背景技术

碳气凝胶是一种新型的轻质纳米多孔材料，因其具有稳定性好、孔隙率高、比表面积大、导电率高及较多的物质及电子传输孔道的特点，广泛应作催化剂载体、储氢材料、吸附材料及超级电容器或锂离子电池的电极材料等，有利于解决当今社会的能源危机及环境污染问题而成为研究热点。

目前，传统的碳气凝胶一般采用间苯二酚和甲醛作为原料，以碳酸钠为催化剂，经缩合聚合得到间苯二酚（R）-甲醛（F）气凝胶，再通过超临界干燥法除去凝胶中的溶剂制备得到间苯二酚-甲醛气凝胶，即RF气凝胶。将RF气凝胶在惰性气体保护的氛围中高温碳化得到碳气凝胶。众所周知，甲醛是一种有毒气体，对环境有较大的危害，因此该种制备碳气凝胶的过程不符合环保的要求；此外，超临界干燥法是一种成本较高的工艺过程。本发明旨在选用一些环境友好的原料，并通过工艺简单、成本低的方法制备得到一种新型的具有多级孔洞结构的碳气凝胶。

聚酰亚胺是一种具有成型加工性能好、机械强度高、热稳定性好等优点的特种工程塑料，广泛应用于国民经济的各个领域。自第一个聚酰亚胺气凝胶通过缩合聚合及热亚酰胺化制备出来后，聚酰亚胺气凝胶广泛应用于保温隔热材料、隔音材料、催化剂载体及介电材料。而将聚酰亚胺气凝胶进行高温碳化得到碳气凝胶尚未见报道。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化排列、紧密堆积而成的具有蜂窝晶格结构的二维纳米碳材料，因其具有密度小、比表面积大、载流子迁移速率大及电导率高等优点而成为化学、物理、材料等学科领域的研究热点。而将二维的石墨烯材料通过自组装或与其他原料组装为具有三维网络结构的石墨烯或石墨烯基凝胶材料是一种具有多种优异性能的多孔材料。

还原氧化石墨烯是一种制备石墨烯的较为简单的方法。氧化石墨烯的层片上含有很多含氧基团，如羧基、羟基、羰基和环氧基等，这些官能团能显著降低石墨片层间的范德华力，增加石墨片的亲水性，实现其在水中的剥离与均匀分散。此外，氧化石墨烯片层上的含氧基团也可作为反应的活性位点，参与很多化学反应。故本发明利用氧化石墨烯片层上的含氧基团，将氧化石墨烯作为聚酰胺酸的交联剂，在热的作用下，一步法使聚酰胺酸交联及亚酰胺化，同时将氧化石墨烯还原为石墨烯，最终通过高温碳化，制备得到石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备过程环保、制备成本较低的碳气凝胶及其制备方法。  

本发明提供的碳气凝胶，选用氧化石墨烯交联聚酰胺酸气凝胶制备得到，记为石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶，其组成包括：氧化石墨烯、一种或多种水溶性聚酰亚胺前驱体-聚酰胺酸，所述的氧化石墨烯与所述的聚酰胺酸质量比为2:100~10:100。

本发明提供的碳气凝胶，具有介孔、微孔和大孔三级孔洞结构，且具有较高的比表面积和比容量。

本发明提供的碳气凝胶的制备包括：聚酰胺酸的合成；氧化石墨烯作为一种交联剂交联聚酰胺酸制备得到石墨烯/聚酰亚胺气凝胶；石墨烯/聚酰亚胺气凝胶经过高温碳化制备石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶一系列过程。具体步骤如下：

（1）将氧化石墨烯分散于去离子水中，超声得到稳定分散的氧化石墨烯水溶液；氧化石墨烯水溶液的质量浓度范围为4~10 mg/mL；

（2）将水溶性聚酰胺酸溶于氧化石墨烯水溶液中得到氧化石墨烯/聚酰胺酸溶液；氧化石墨烯/聚酰胺酸的质量比范围为2:100~10:100；

（3）将氧化石墨烯/聚酰胺酸溶液搅拌后放置一段时间，通过溶胶-凝胶过程，得到氧化石墨烯/聚酰胺酸水凝胶；

（4）将氧化石墨烯/聚酰胺酸水凝胶在液氮中冷冻为固体，然后在冷冻干燥机中冷冻干燥，得到氧化石墨烯/聚酰胺酸气凝胶，记作GO-PAA-X；

（5）将氧化石墨烯/聚酰胺酸气凝胶通过程序升温对其进行热亚酰胺化，得到石墨烯交联的聚酰亚胺气凝胶，即石墨烯/聚酰亚胺气凝胶，记作G-PI-X；

（6）将石墨烯/聚酰亚胺气凝胶进行高温碳化，得到石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶，记作GC-X。

本发明中，所述的氧化石墨烯由Hummers方法制备得到。