[发明专利]一种空气净化用石墨烯海绵材料的制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种吸附材料及其制备方法，具体讲涉及一种空气净化用石墨烯海绵材料及其的制备方法。

【背景技术】

甲醛、二氧化硫、氨气、一氧化氮等气体是生活与工业污染中的污染气体。尤其，室内空气中甲醛已经成为影响人类身体健康的主要污染物，冬天空气中的甲醛对人体的危害特别大，对眼、鼻、喉和皮肤等产生明显的刺激作用。吸附法作为一种物理化学方法，是空气净化中的一种重要方法之一，具备成本低廉、脱除效率高、无二次污染、易再生等优势。众多吸附材料中，碳材料是一种应用最为广泛的吸附材料。

凭借优异的力学、热学及电学性能，石墨烯凭借其优异的力学、热学及电学性能使其具有十分广阔的应用前景。与薄膜状、粉末状的石墨烯比，海绵状石墨烯不仅在微观上具有纳米材料的本质特征，而且在宏观上又表现出多孔材料的固有性能。海绵状石墨烯具有更大的比表面积和表面性能、更高的孔隙率及更疏松的表面结构，在水处理、空气净化、催化剂载体等领域具有更大的应用价值。

现有的海绵状石墨烯主要采用以下三种制备方法：氧化石墨法，把高浓度的氧化石墨烯置于180℃的水热环境中便得到还原型石墨烯水凝胶，或将还原剂如NaHSO₄、Na₂S、抗坏血酸等放入高浓度的石墨溶液中，在低温低压下制得；化学气相沉积法，Chen等用化学气相沉积法在模板上沉积得到石墨烯海绵材料，该法包括把CH₄在常压条件下加热到1000℃，石墨烯薄膜在三维泡沫镍的模板上沉积，一层PMMA薄膜随即沉积在石墨烯薄膜表面。当泡沫Ni用盐酸等溶液腐蚀后，用热的C₃H₆O去除掉PMMA薄膜；有机溶胶凝胶法，超轻的石墨烯气凝胶可以通过把氧化石墨烯加入到间苯二酚与HCHO的溶液中，在NaCO₃催化作用下的溶胶凝胶聚合，然后在高温下裂解制备得到。这种石墨烯气凝胶的导电率是1.0S/cm，比表面积在584m²/g，所以这种材料非常适合用于能量储存方面的应用。

近年来，石墨烯海绵的制备与应用越来越引起广泛的关注，也取得了长足的进步，但也存在以下问题：1)需要更深入的了解其形成机理，以制备出孔隙、形状等可控的石墨烯海绵材料；2)需进一步提升比表面积。从微观上讲，理想的石墨烯海绵最好由单层的石墨烯片组成，但现有方法无法满足该需求；3)要进一步探讨石墨烯海绵表面功能化的可行性。表面功能化对超级电容器、微生物燃料电池等均有很好的促进作用。因此需要提供一种制备简单、低成本低廉、性能优异的石墨烯海绵材料及其制备方法。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种空气净化用石墨烯海绵材料的制备方法，采用本发明提供的技术方案制备的石墨烯海绵材料解决了传统吸附过程中，氧化石墨烯在还原的过程中存在重新堆叠等问题，为石墨烯海绵材料在空气净化领域的应用奠定了基础，该石墨烯海绵材料对净化甲醛、二氧化硫、氨气、一氧化氮或二氧化碳等具有良好的吸附性能及其吸附的循环性能。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种空气净化用石墨烯海绵材料的制备方法，包括下述步骤：

1)超声处理氧化石墨烯和碳纳米管配成混合水溶液；

2)将步骤1)得到的溶液转入反应釜中，加热恒温后自然冷却；冷冻干燥处理，得所述石墨烯海绵；

氧化石墨烯和碳纳米管的质量份比为20～5∶1。

本发明提供的制备方法步骤1)中，氧化石墨烯的浓度为1～30g/L。

本发明提供的制备方法步骤1)中，超声时间为10～40min，超声频率为20～25kHz。

本发明提供的制备方法步骤2)中，反应釜的内壁衬为聚四氟乙烯，侧壁与底厚度15～25mm，密封盖厚度10～20mm。

本发明提供的制备方法步骤2)中，反应釜的加热温度为150～250℃，恒温时间为10～12h。

本发明提供的制备方法步骤2)中，冷冻干燥为真空冷冻干燥，温度为-50℃～-15℃，真空度＜10Pa。

本发明提供的制备方法步骤2)中，冷冻干燥处理时间为2～5d。

本发明提供的制备方法制得的石墨烯海绵材料长：20～100cm、宽：20～100cm、高：10～35cm。

本发明提供的制备方法制得的石墨烯海绵材料的比表面积为500～1000m²/g。

本发明提供的制备方法制得的石墨烯海绵材料用于净化甲醛、二氧化硫、氨气、一氧化氮或二氧化碳。