[发明专利]一种还原氧化石墨烯和四氧化三锰纳米粒子杂化气凝胶的制备方法

说明书

一种还原氧化石墨烯和四氧化三锰纳米粒子杂化气凝胶的制备方法，属于气凝胶制备技术领域。本发明从制备氧化石墨烯和二氧化锰纳米粒子的混合溶液出发，先利用冷冻干燥方法制备得到氧化石墨烯和二氧化锰纳米粒子的杂化气凝胶，然后通过水蒸气水热法同时还原氧化石墨烯和二氧化锰纳米粒子，方便快捷低能耗的制备了还原氧化石墨烯和四氧化三锰杂化气凝胶。本发明所述方法具有操作简单、条件温和、成本低廉、且工艺易于放大的优点。杂化气凝胶的密度可以通过冷冻的胶体溶液的密度方便地进行调节。本发明制备的杂化气凝胶在电容器、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二氧化锰纳米粒子为原料，通过冷冻干燥和水蒸气水热还原制备的还原氧化石墨烯和四氧化三锰纳米粒子杂化气凝胶的制备方法，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

锰氧系列化合物(Mn₃O₄、MnO₂等)已被广泛用作超级电容器电极材料。然而，锰氧化物较低的电导率也限制了其在此方面的进一步应用。所有锰氧化物中，四氧化三锰(Mn₃O₄)由于其在常温下只有单一的黑锰矿(hausmannite)结构和容易制取的特点而得到了研究者们的兴趣。目前，将Mn₃O₄与导电性良好的材料复合是提高Mn₃O₄电容性能的主要手段。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。其具有优良的机械性能，超高的比表面积，较好的热传导能力，高的电子传导能力。中国专利(专利公开号：CN103771406A)公开了一步水热法制备石墨烯/四氧化三锰纳米复合材料的方法，将高锰酸盐、还原剂依次加入石墨烯中，在80～120℃下反应制得，该复合材料具有开放的孔状结构。中国专利(专利公开号：CN105347334A)公开了以石墨粉、浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾、四水乙酸锰为基质材料，采用改进Hummers法制备氧化石墨烯，采用溶剂热法进一步制备得到石墨烯/四氧化三锰复合材料。

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。石墨烯和四氧化三锰杂化气凝胶结合了石墨烯的优异导电性、气凝胶的轻质多孔特点以及四氧化三锰杰出的电化学性能的多重优势，将可能获得更加优异的性能。目前还没有制备石墨烯和四氧化三锰杂化气凝胶的报道。因此，一种成本低廉、操作简单、易于生产放大的制备高纯度的石墨烯和四氧化三锰纳米粒子杂化气凝胶的方法亟待开发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种还原氧化石墨烯和四氧化三锰纳米粒子杂化气凝胶的制备方法。本发明制备的还原氧化石墨烯和四氧化三锰纳米粒子杂化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四氧化三锰纳米粒子杰出的电化学性能的多重优势。本发明所用的真空冷冻干燥及水蒸气水热反应的方法，具有操作简单、条件温和、成本低廉、且工艺易于放大的优点。

本发明所述的一种还原氧化石墨烯和四氧化三锰纳米粒子杂化气凝胶的制备方法，其步骤如下：

1)石墨烯氧化物水分散液的制备：

用改良的Hummer法(ACS NANO,2010,4(8):4806-4814.)制备得到石墨烯氧化物，然后纯化并配置成高浓度的悬浮液，再超声分散形成5～20mg/mL浓度的石墨烯氧化物水分散液；

2)二氧化锰纳米粒子胶体溶液的制备：