[发明专利]基于乳液法的石墨烯气凝胶的制备方法

说明书

本发明提供了一种以石墨烯Pickering乳液作为软模板，水热条件下组装成凝胶的制备方法。本发明所述的Pickering乳液，由以下组份组成：按重量份数计，0.3～1份氧化石墨，0～1.84份盐，0.00365～0.63份酸，0.9～5份抗坏血酸，100份水以及0.2～1倍水体积的植物油。本发明所述的制备方法无需复杂操作条件以及强腐蚀性物质，可以实现准确的孔隙率控制，可以实现大规模的制备；同时本发明制备的石墨烯气凝胶具有良好的横向和纵向挤压回弹性能，孔道结构保持为开孔型，对石油类产品具有优越吸附能力，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及石墨烯气凝胶的制备，尤其涉及一种基于乳液法的石墨烯气凝胶的制备方法。

背景技术

石墨烯气凝胶是以氧化石墨烯为原料，经过特殊操作得到的石墨烯三维材料。三维石墨烯气凝胶具有优越的表面积、丰富的孔体积、超低的密度，在超级电容器、催化剂载体以及环境保护等方面有着广阔的研究前景和应用价值。石墨烯气凝胶内部发达的孔隙结构使得其具有优越的有机溶剂吸附能力，一般可达自身重量的数百倍。石墨烯气凝胶对有机溶剂的吸附主要是物理吸附，其孔道结构和挤压回弹性能会对吸附速率、吸附量、循环利用等方面产生影响。

基于石墨烯气凝胶在诸多领域的广泛应用前景，越来越多的研究开始关注其制备方法。其中，发明专利CN104250005A公开了一种高能射线辐射制备氨基气凝胶的方法，该方法可以制备出大孔的石墨烯气凝胶。发明专利CN103213978A公开了水热法制备石墨烯气凝胶，通过改变冷冻干燥步骤中的冷冻温度，可以对石墨烯气凝胶的孔道进行调控。然而，目前石墨烯气凝胶的制备仍然存在以下问题：(1)需要在水热釜中高压高温反应或者特殊技术手段的处理；(2)石墨烯气凝胶的挤压回弹性不佳，多表现为纵向挤压回弹性，横向挤压回弹性能差；(3)无法对石墨烯气凝胶孔道结构和孔隙率进行简单有效的控制，以及在一定范围内实现对孔隙率准确控制，一般需要苛刻操作条件，如低温条件。

对于石墨烯气凝胶而言，孔隙率和孔道结构的控制尤为重要。石墨烯气凝胶的孔径大小均一有序，则有优良的弹性；密度越小，孔隙率增大，对油品等污染物的吸附能力也随之增加；孔道结构是否为开孔型，影响吸附过程中的内扩散速率和材料的吸附能力；此外，石墨烯气凝胶的孔道结构改变也会改变其电化学储能能力，在超级电容器领域扮演重要角色。目前，石墨烯气凝胶的孔道结构和挤压回弹性控制主要是通过改变石墨烯气凝胶制备中操作条件、反应物用量、模板等，对石墨烯气凝胶的孔隙率、孔道尺寸等进行调控。Xie等(Scientific reports，2013，3，2117)公开了通过调整冷冻温度改变冰晶生长、控制孔径的方法；然而该方法对低温要求高，温度变化范围从-170～-10℃，需要耐极低温度的设备以及控温手段。Huang等(Advanced Materials，2012，24，4419-4423)对硅球进行改性作为模板，实现了对石墨烯气凝胶孔径的精确控制，但需要采用强腐蚀性氢氟酸进行刻蚀，除去硅球，得到孔道结构。Zhang等(Small，2016，13，1702-1708)采用3D定向打印技术制备石墨烯气凝胶，气凝胶密度可以在0.5～10mg/cm³进行控制，纵向挤压弹性可以达到50％，但是该方法需要1000℃煅烧，挤压回弹性仅仅表现为纵向，横向并无挤压回弹性，孔道结构中有较多的闭孔型。因此，如何简单、温和、绿色的实现石墨烯气凝胶孔隙率控制，同时具备横向和纵向的优良挤压性能，并保留气凝胶较多的开孔型孔道结构，是本领域的研究重点之一。