[发明专利]一种负载层状双金属氢氧化物的石墨烯多孔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种负载层状双金属氢氧化物的石墨烯多孔膜的及其制备方法和应用，步骤如下：首先将氧化石墨烯水相分散液通过扁形喷头注入含有双金属离子的凝固浴中，静置后取出转移至反应釜中进行热处理，再经洗涤后通过冷冻干燥得到负载层状双金属氢氧化物的石墨烯多孔膜。所得的柔性膜具有丰富的多级结构，以石墨烯多孔膜为导电骨架，均匀负载层状双金属氢氧化物纳米材料，兼具丰富的活性位点、可控的孔隙结构与较好的导电性，在传感、储能以及催化等方面拥有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于石墨烯复合材料领域，涉及一种负载层状双金属氢氧化物的石墨烯多孔膜。

背景技术

层状双金属氢氧化物(layered double hydroxides，LDHs)是一类由两种(或两种以上)金属元素组成的金属氢氧化物，其具有明显的层状结构，主层板和层间的阴离子及水分子相互交叠。由于其组成(层板上的金属离子的种类与比例、阴离子的种类等)与结构(层数、层间距等)易于调控便于修饰，所以可以获得各种特征不同的功能性。其中，通过相关精确剪裁，可以获得大比表面积、高离子电导率、快电化学反应的LDHs，因此在超级电容器、二次电池及电催化等能源转换和电化学储能中表现出良好的应用前景。然而，其也面临着导电性不高、稳定性不佳、分散性不良等关键问题。

石墨烯，是一种由碳原子组成的二维材料，具有优良的导电性与可观的比表面积，非常适合作为电极材料的载体。以石墨烯复合LDHs能大幅度降低材料的电阻、提高材料的力学性能，并且能通过晶种控制优化LDHs的晶体尺寸与分布，有效暴露相关LDHs的活性位点，增大LDHs的界面接触效果，从而提升整体材料的功能性。目前，主要的技术手段集中于将石墨烯粉体材料与合成的LDHs进行物理共混，这种方法难以获得均匀分布的物相结构，使得LDHs的性能释放不佳。近来虽然有报道利用石墨烯粉体材料原位生长LDHs，但复合材料仍然会出现石墨烯和LDHs的自堆积现象，导致其稳定性和环境耐性仍然不能令人满意。此外，现代社会对于自支撑柔性材料的渴求与日俱增，而当前的粉体材料原理上无法满足这种耐弯曲耐形变的要求。因此，发展高效、绿色、快捷的负载LDHs柔性石墨烯材料的合成方法成为了重要的科学与产业问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种负载LDHs的石墨烯多孔膜及其制备方法和应用，该柔性膜具有丰富的多级结构，以石墨烯多孔膜为导电骨架，均匀负载层状双金属氢氧化物纳米材料，兼具丰富的活性位点、可控的孔隙结构与较好的导电性。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种负载层状双金属氢氧化物的石墨烯多孔膜的制备方法，具体的步骤如下：

(1)将氧化石墨烯水相分散液通过扁形喷头注入含有两种过渡金属离子的水溶液中，每种金属离子浓度为0.01～0.1mol/L，得到双金属离子交联的氧化石墨烯水凝胶膜；

(2)将上述水凝胶膜取出后置于反应釜中进行热处理，获得负载层状双金属氢氧化物的石墨烯水凝胶膜；

(3)将上述水凝胶膜进行洗涤，利用冷冻干燥法获得负载层状双金属氢氧化物的石墨烯多孔膜。

优选的，所述步骤(1)中氧化石墨烯浓度为5～20g/L，金属离子为锌、铁、钴、镍、铜的离子中任意两种。

优选的，所述步骤(2)的热处理温度为120～180℃，热处理时间为0.5～8h。

优选的，所述步骤(3)的洗涤剂为极性溶剂，甲醇、乙醇、以及水中一种或多种。

优选的，当水溶液中金属离子为含有镍离子或铜离子时，洗涤剂中含有乙醇。

优选的，步骤(1)中双金属离子为镍、铁，浓度都为0.05mol/L，步骤(2)中通过2小时150℃的水热反应，经乙醇与水的等体积混合液洗涤，可以得到均匀负载纳米片状镍铁双金属氢氧化物的石墨烯多孔膜。