[发明专利]石墨烯气凝胶、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯气凝胶、制备方法及其应用。所述石墨烯气凝胶包含由石墨烯片层组成的、具有各向异性的、规整有序的三维多孔网络结构，并且所述石墨烯气凝胶具有由微孔、介孔及宏孔组成的纳米多孔结构，其中所述微孔和介孔主要分布于规整有序的所述宏孔的孔壁中。所述石墨烯气凝胶的制备方法包括：以氧化石墨烯液晶为前驱体，通过气相扩散将交联剂引入液晶体系，再通过离子扩散引入还原剂，获得石墨烯水凝胶，干燥，获得石墨烯气凝胶。本发明的气凝胶具有各向异性的热、电、机械力学性质，且制备工艺简单，反应条件温和，低能耗，绿色无污染，适于大规模生产，应用前景广泛。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯气凝胶，尤其涉及一种各向异性石墨烯气凝胶及其制备方法与应用，属于纳米多孔材料技术领域。

背景技术

石墨烯是以sp²杂化连接的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构，其厚度仅为一个碳原子层的厚度(0.34nm)，是目前发现的最薄的材料。石墨烯可以想象为由碳原子和其共价键所形成的原子网格。石墨烯的制备方法由最初的撕胶带法/轻微摩擦法逐渐扩展到其他各种方法，如外延生长、CVD生长、氧化还原法等。石墨烯的结构非常稳定，碳碳键仅为石墨烯内部的碳原子之间的连接具有一定的柔韧性，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。石墨烯的特殊几何及电子结构还赋予它诸多优异的特性，例如其电子迁移率为2×10⁵cm²/(V·s),电导率高达10⁶S/m，良好的导热性(5000W/(m·K))，超高的比表面积(2630m²/g)等。根据石墨烯超薄、强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如在超轻防弹衣、超轻型飞机材料领域都有极大的应用前景。基于石墨烯优异的导电性，使它在微电子领域有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。另外，石墨烯材料还是一种优异的电极材料，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池等方面有着极大的应用市场。

另一方面，气凝胶是具有超低密度和高比表面积的高度多孔性纳米材料。它的制备通常采用特殊的工艺，如冷冻干燥或者超临界干燥，将湿凝胶中的液体置换成气体而不改变凝胶原有的网络结构而得到。石墨烯多孔材料气凝胶最早诞生于2009，由美国的MarkW.Ellsworth等人通过将氧化石墨烯的水溶液冷冻干燥获得。石墨烯气凝胶具有高孔隙率、高比表面积，低密度和高导电等特点，被广泛地应用在能量存储与转换、气相催化、环境清洁、传感、复合材料等领域。目前，制备石墨烯气凝胶的前驱体主要为氧化石墨烯溶液，主要采用水热、化学还原、化学交联等方法。由这些方法制备获得的石墨烯气凝胶虽然能够展现出石墨烯独特的理化性质，但石墨烯气凝胶骨架均为无序的三维多孔网络，结构与性能为各项同性，且石墨烯片层的随机搭接、堆垛，严重抑制了石墨烯片层独特理化性质的充分展现，使得所得石墨烯气凝胶的结构与性能随机、不可精细调控，进而阻碍了石墨烯在能源存储与转换、气相催化、环境清洁、传感、复合材料等领域的应用。

鉴于传统石墨烯气凝胶的无序多孔网络结构，迫切需要设计并提出一种结构新颖的石墨烯气凝胶及相应制备方法，来实现石墨烯片层在气凝胶中排列形态的调控，充分发挥石墨烯片层本身的优势，将石墨烯气凝胶的应用推向一个新高度。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种石墨烯气凝胶、制备方法，以克服现有技术中的不足。

本发明的又一目的在于提供前述石墨烯气凝胶的用途。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种石墨烯气凝胶，它包含主要由石墨烯片层组成的、具有各向异性的、规整有序的三维多孔网络结构，并且所述石墨烯气凝胶具有由0＜孔径≤2nm的微孔、孔径为2～50nm的介孔以及孔径大于50nm的宏孔组成的纳米多孔结构，其中所述微孔与介孔主要分布于规整有序的所述宏孔的孔壁中。