[发明专利]一种超轻超双亲型三维石墨烯泡沫材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种超轻超双亲型三维石墨烯泡沫材料及其制备方法和应用。本发明采用氧化石墨烯和一种绿色环保的生化试剂磷酸乙醇胺为原料，首先利用水热自组装在氧化石墨烯层间键合上磷酸乙醇胺分子，再将石墨烯/磷酸乙醇胺复合物于高温退火处理，得到一种具有新型结构特点的多孔三维石墨烯泡沫材料。本发明所得的三维石墨烯泡沫具有多孔超轻的特性，并且对水/油都具有很强的浸润能力。因此本发明的石墨烯泡沫材料可作为吸附剂或催化剂应用于海洋石油泄漏、水体有机污染物处理等领域，同时，该三维石墨烯泡沫材料结构骨架稳定,可以实现其多次循环使用。本发明的制备过程简单易行，原材料来源广泛、制备方法重现性良好，能够适应工业生产的要求。

技术领域

本发明涉及新材料领域，具体涉及一种超轻超双亲型三维石墨烯泡沫材料及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯是具有蜂窝状晶格结构的平面二维层状材料。由于具有极好的电学、光学、热力学、机械等性能，因而广受研究者们的关注。由于石墨烯纳米片层与层之间存在着很强的相互作用和范德华力，石墨烯片层通常会发生不可逆的团聚和堆叠，使其实际比表面积远低于理论值，有效面积大大降低，遮蔽了大量催化活性位点，同时也不利于石墨烯复合材料的合成，导致其应用性能受到严重的影响。将二维石墨烯片整合成具有三维结构的组装体可以有效调控石墨烯的电学、光学、机械等性能，使得三维石墨烯不仅具有二维石墨烯固有的理化性质，其三维多孔的微/纳米结构还兼具如柔韧性、多孔性、高活性比表面积、优异的传质性能等优良特性。因此三维石墨烯可以突破传统的零维、一维和二维石墨烯的应用限制，以其独立组装的宏观三维结构直接运用于吸附、催化、超级电容器等领域。在三维石墨烯的制备过程中，交联剂的选择是十分重要的，交联剂既要能够高效连接石墨烯片层，使得三维石墨烯在微观上成为连续的整体，同时研究者们也希望所选取的交联剂是绿色环保的，在合成过程中尽量不会产生有毒或污染环境的副产品。

目前利用不同种交联剂制备的三维石墨烯材料，尤其是高比表面积、多孔、低密度的三维石墨烯常常会受到机械强度低，结构稳定性较差的限制，从而影响了其应用效果。此外，由于氧化石墨烯在反应过程中由于片层间的堆积和疏水作用，会发生不可逆的团聚和堆叠，因此形成的产物多为疏水或超疏水型的三维结构，具有亲水性能或既亲水又亲油的双亲浸润性能的三维石墨烯材料还鲜有报道。在本发明中，我们通过引入绿色交联剂磷酸乙醇胺，从氧化石墨烯出发，在对氧化石墨烯还原的同时对其进行化学修饰和活化，进而构建一种具有新型结构特点的多孔三维石墨烯泡沫材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超轻超双亲型三维石墨烯泡沫材料，以弥补现有轻质三维石墨烯材料机械强度差，浸润功能单一的缺点。本发明的另一目的在于提供上述新型三维石墨烯材料的制备方法，该方法简单易行，可用于大批量生产且重现性良好。

本发明所得多孔石墨烯材料是通过氧化石墨烯和生化试剂磷酸乙醇胺制备而成，其密度可通过这两种前驱体的质量比来调节。

在上述的一种超轻超双亲型三维石墨烯泡沫材料的制备方法中步骤B)磷酸乙醇胺与氧化石墨烯的质量比为0.2～3.0：1。

本发明还提供一种超轻超双亲型三维石墨烯泡沫材料的制备方法，包括以下几个步骤：

A)以Hummer法从石墨粉制备氧化石墨，将氧化石墨分散于水中制备2mg/mL的氧化石墨烯溶液；

B)将磷酸乙醇胺放入氧化石墨烯溶液中，充分混合后，于180℃下水热自组装得到氧化石墨烯/磷酸乙醇胺复合物；

C)将步骤B)得到的复合物于氩气保护下，高温下退火。

在上述的一种超轻超双亲型三维石墨烯泡沫材料的制备方法中步骤B)水热自组装时间为12h。

在上述的一种超轻超双亲型三维石墨烯泡沫材料的制备方法中步骤C)退火反应的温度为800～1000℃，退火时间为1h。