[发明专利]一种三维石墨烯泡沫及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三维石墨烯泡沫及其制备方法和应用。具体方法是以低温热剥离的石墨烯粉末为原料，通过一步烧结法不但可以实现石墨烯的进一步还原和缺陷的修复，还可以将二维的石墨烯粉末组装成三维的石墨烯泡沫。所制备的超轻石墨烯泡沫具有超高的电磁屏蔽效能且对有机溶剂具有超高的吸附能力，在电磁屏蔽领域和有机污染物吸附领域有重要应用。利用该方法可以实现高性能、多功能性石墨烯泡沫的简单、宏量制备，具有巨大的市场应用前景。

技术领域

本发明属于石墨烯泡沫材料领域，具体涉及一种三维石墨烯泡沫及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯(graphene)自发现以来便受到社会各界的广泛关注。石墨烯是由单层sp²杂化碳原子构成的，具有规则蜂窝结构的理想二维纳米晶体。这种纳米材料不仅具有传统纳米材料不可比拟的机械强度，还兼具优异的电、热、光等物理化学性能。以石墨烯作为基本构筑单元制备石墨烯基三维宏观聚集体是在宏观尺度利用和传递这种分子级厚度材料多功能性的有效途径。

石墨烯泡沫是一种典型的石墨烯基三维宏观聚集体，其内部三维多孔的网络结构赋予了泡沫本身良好的导电/热性、较高的比表面积(～100-900m²/g)和超低的密度(～1-40mg/cm³)，使其在超级电容器、锂电池、电磁屏蔽、污染物吸附、吸波、催化剂载体等领域具有重大的应用前景,如文献：Nano Letters,2012,12,2446-2451；Angewandte ChemieInternational Edition,2012,51,11371-11375；Advanced Materials,2015,27,2049-2053；Advanced Functional Materials,2012,22,4421-4425。

目前，石墨烯泡沫的制备方法包括水热/溶剂热法、溶胶-凝胶化学法、溶胶冷冻法、模板法，如文献：ACS Nano,2010,4,4324-4330；Journal of the American ChemicalSociety,132,14067-14069；Advanced Materials,2013,25,2554-2560；NatureMaterials,2011,10,424-428。前三种方法较为相似，都是以氧化石墨为出发点，制备过程主要包括四大步：(1)氧化石墨烯的剥离；(2)石墨烯的自组装过程或凝胶化过程或溶胶冷冻过程；(3)湿凝胶或泡沫的冷冻或超临界CO₂干燥过程；(4)干凝胶或泡沫的热/化学还原过程。上述方法常用于介孔和大孔石墨烯泡沫的制备。其中，石墨烯的自组装和凝胶化过程、冷冻或超临界干燥处理以及后续的热/化学还原处理较为复杂、耗时，增加了实验的难度和结果的不确定性。模板法常采用化学气相沉积法(CVD)在金属镍泡沫上生长石墨烯，或者通过负载化学法制备的石墨烯到开孔聚氨酯泡沫上，再或者填充二氧化硅或聚苯乙烯微球等到石墨烯结构中先制备石墨烯泡沫的前驱体。然后，通过酸刻蚀或热分解除去外来模板的方法得到具有大孔结构的石墨烯泡沫，如文献：Advanced Materials,2013,25,1296-1300；Advanced Materials,2013,25,5658-5662；Advanced Materials,2013,25,6692-6698；Advanced Materials,2012,24,4419-4423；ACS Nano,2012,6,4020-4028。然而，由于石墨烯片层间较弱的物理相互作用，在除去模板过程，石墨烯泡沫的骨架结构容易塌陷且刻蚀或热解过程也较为耗时，造成该方法有较大的局限性。另外，以CVD法为例，其对设备要求较高且存在模板难刻蚀等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维石墨烯泡沫及其制备方法和应用。所制备的超轻三维石墨烯泡沫具有超高的电磁屏蔽效能且对有机溶剂具有超高的吸附能力，利用该方法可以实现高性能、多功能性石墨烯泡沫的简单、宏量制备，具有巨大的市场应用前景。

一种三维石墨烯泡沫的制备方法，具体步骤如下：