[发明专利]一种石墨烯和超薄二氧化锰纳米片杂化气凝胶及其制备方法

说明书

一种制备石墨烯和超薄二氧化锰纳米片杂化气凝胶的方法，属于气凝胶制备技术领域。本发明先利用水热方法制备得到石墨烯和超薄二氧化锰纳米片杂化水凝胶，然后通过真空冷冻干燥过程方便快捷的制备了石墨烯和超薄二氧化锰纳米片杂化气凝胶。本发明制备的气凝胶结合了石墨烯优异的导电性、气凝胶的轻质多孔特点以及超薄二氧化锰纳米片优秀的电化学性能的多重优势，具有操作简单、条件温和、成本低廉、且工艺易于放大的优点。气凝胶均展现了微观的三维多孔结构，孔洞的平均孔径为25～50μm，孔壁骨架结构的平均长度为15～30μm，平均直径为4.5～8.0μm，在电容器、催化、生物传感器、锂离子电池等领域将具有重要的应用前景。

技术领域

本发明属于气凝胶制备技术领域，具体涉及一种以氧化石墨烯和超薄二氧化锰纳米片为原料，通过水热反应和冷冻干燥制备石墨烯和超薄二氧化锰纳米片杂化气凝胶的方法。制备的杂化气凝胶可广泛应用于电池、传感、催化等领域。

背景技术

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结而构成的一种结构可控的轻质多孔性固态材料。微观网络结构具有丰富的孔洞，提供了大的比表面积，它具有广阔的应用前景，已被用于声阻抗耦合材料、催化剂或催化剂载体、吸附剂、过滤材料、高温隔热材料及高性能可逆电池材料，近期吸引了越来越多的学者的研究兴趣。

二氧化锰作为过渡金属氧化物，存在可变的氧化价态，具有资源丰富、价格低廉、环境友好且工作电压窗口较宽、电化学性能好等特点，一直以来就是电极材料领域的宠儿，这是二氧化锰最重要的用途。此外，二氧化锰具有离子交换和分子吸附性能，在分子筛和催化剂材料等领域也显示了广阔的前景，近年来受到了广泛的关注。众所周知，纳米粒子的晶型、尺寸、形貌和维数等因素不同程度地影响着纳米材料的光学、电学和磁学等性能。现有的研究表明二氧化锰颗粒的尺寸、形貌、比表面积和孔径分布决定了离子的扩散距离以及固体电极/溶液界面间的最大接触面，制备多孔的二氧化锰材料对提高其电化学及催化性能具有重要意义。目前已有二氧化锰气凝胶在超级电容器领域的应用研究，但是二氧化锰导电性差的特点严重影响了二氧化锰气凝胶的电化学性能，限制了二氧化锰气凝胶在超级电容器领域的进一步发展。

石墨烯是一种新型碳材料，它是由平面的单层碳原子紧密堆积在一起形成的二维蜂窝状六角平面结构，是世界上现在已知的最薄的材料。其优良的机械性能，超高的比表面积，较好的热传导能力，高的电子传导能力使其在超级电容，传感器，组织支架，药物传导和太阳能电池等领域成为研究的热点。尤其是由于石墨烯具有超强的存储和传导电子的能力，近年来研究人员对其在超级电容器的应用领域进行了许多尝试，但是在实际应用中，存在着层间缩聚严重，有效表面积减少的问题。