[发明专利]一种高强度三维石墨烯宏观体及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高强度三维石墨烯宏观体及其制备方法，所述制备方法包括：（1）将盐类分散于氧化石墨烯水溶液中，得到混合溶液，所述盐类为碳酸钠、氯化钠、氯化铵、碳酸铵、氯化钾、碳酸氢钾、氯化钙、碳酸氢钙，硫酸镁、氯化锌、硫酸钾中的至少一种，所述混合溶液中盐类为过饱和状态；（2）将所得混合溶液在100～400℃下反应0.5～8小时后，再经清洗和干燥，得到所述三维石墨烯宏观体。

技术领域

本发明涉及一种高强度三维石墨烯宏观体及其制备方法。

背景技术

自2010年英国两位科学家因石墨烯获得诺贝尔奖以来，全世界范围内掀起了石墨烯研究热潮。近几年，越来越多的科学家将主要精力投入石墨烯的应用研究中。三维石墨烯宏观体是这种材料由微观到宏观应用的重要途径，成为石墨烯应用研究热点。三维石墨烯具有的高导电性、超大比表面、多孔道等特性，这些使得三维石墨烯宏观体在电子材料以及环保吸附材料中具有卓越的应用价值。而如何低成本、大规模、快捷高效制备三维石墨烯块体成为了应用的关键。

目前，三维石墨烯制备主要有两种方法：1、CVD制备法，即采取模板法，通过高温裂解甲烷等气体，使得碳原子在模板上沉积形成三维石墨烯块体。这种方法的缺陷是效率低，且制备成本高昂；2、氧化石墨烯组装法，即通过在氧化石墨烯水溶液中加入特定的交联剂，使得氧化石墨烯片层在加热过程中交联组装。然而，目前在所有此类研究文献报道中，所制备的氧化石墨烯块体都需要采取冷冻干燥或者超临界干燥法，以保持石墨烯块体微观孔结构。如果采取传统烘干工艺，块体微观孔结构会出现塌陷，块体体积严重收缩。这些缺陷一方面降低了制备的效率，另一方面使得制备成本居高难下。

目前有关三维石墨烯制备报道中，专利1(中国公开号CN 105523546 A)报道了一种采取泡沫镍作为硬模板制备三维石墨烯块体的方法。然而报道里所使用的泡沫镍最后要经过强酸的腐蚀处理，以实现硬模板的去除，这在实际生产过程中一方面将产生很大的安全隐患，另一方面生产过程会给环境带来很大的负担，并且制备成本会大幅度增大。专利2(中国公开号CN 103910356 A)报道了一种多孔三维石墨烯块体制备方法，其三维石墨烯块体采用冷冻干燥工艺干燥。此工艺显然在提升制备成本的同时，大大降低块体制备效率，不能够适应三维石墨烯块体大规模实际应用。

发明内容

面对现有技术存在的问题，为了实现高效、低成本制备三维石墨烯块体，本发明提供了一种全新的石墨烯烯片组装工艺，通过对石墨烯片与片之间特定方式的交联控制，实现石墨烯块体微观结构的可控合成，并最终实现三维石墨烯块体快速干燥目的。

一方面，本发明提供了一种三维石墨烯宏观体的制备方法，包括：

(1)将盐类分散于于氧化石墨烯水溶液中，得到混合溶液，所述盐类为碳酸钠、氯化钠、氯化铵、碳酸铵、氯化钾、碳酸氢钾、氯化钙、碳酸氢钙，硫酸镁、氯化锌、硫酸钾中的至少一种，所述混合溶液中盐类为过饱和状态；

(2)将所得混合溶液在100～400℃下反应0.5～8小时后，再经清洗和干燥，得到所述三维石墨烯宏观体。

在本公开中，通过特殊的工艺，在氧化石墨烯水溶液中加入盐类(例如，碳酸钠、氯化钠、氯化铵、碳酸铵、氯化钾、碳酸氢钾、氯化钙、碳酸氢钙，硫酸镁、氯化锌、硫酸钾等)并使盐类达到过饱和状态)，然后置于反应釜中，加热至100～400℃进行保温。优选，过饱和的盐类在加热与冷却过程中，溶解和析出有助于三维石墨烯孔的有序形成，这种有序的孔结构使得三维石墨烯宏观体的结构更加稳定，从而使得在后续干燥过程中不会出现结构坍塌，块体收缩等常见问题。

较佳的，所述盐类选自氯化铵、碳酸铵、碳酸氢钾、碳酸氢钙中的至少一种。上述盐类在反应过程中发生分解使得反应釜内形成高压，更有利于提高氧化石墨烯片层之间的交联程度，进而增强石墨烯块体孔结构的稳定性。

较佳的，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.5～3mg/mL，优选为1～3mg/mL；所述氧化石墨烯和盐类的质量比为(50～300)mg：(1～50)g。