[发明专利]一种以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶及其制备方法

说明书

一种以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶及其制备方法，所述石墨烯气凝胶中，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯以单层或多层结构搭载于碳化糖的三维骨架上；所述石墨烯气凝胶的平均孔径为0.1～5.0μm，比表面积为60～100m²/g，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯的质量含量为3～5%。所述制备方法为：（1）将糖碳源、氧化石墨烯和催化剂混合后，加入水中，搅拌溶解，干燥，得碳素混合物；（2）在火焰中快速加热扩孔，洗涤，即成。本发明石墨烯气凝胶原料易获取，所得气凝胶气泡孔径分布均匀、分布的石墨烯为单层，对低浓度气体的气敏性能好、气体吸附脱附快。本发明方法简单，可重复性高，经济环保，适宜于大规模工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯气凝胶及其制备方法，具体涉及一种以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶及其制备方法。

背景技术

石墨烯具有二维共轭结构、高比表面积、高电导率、合成方法多样、对气体分子引起的电干扰敏感等优点，它已被证明是一种很有前途的高性能气体检测材料。但石墨烯材料的性质往往取决于其二维片层的排列方式，石墨烯固有的大π键共轭结构使其倾向于堆叠，因此，要做成吸附、催化和超级电容器等，往往需要极高的比表面积，这就希望石墨烯的片层之间相互分离，形成立体三维结构。

石墨烯气凝胶的结构多种多样，以基于氧化石墨烯的组装方式比较常见，能够大规模，而且以相对较低的成本制备，目前主要的方法有自组装和模板法。

（1）自组装合成法步骤简单，如通过水热自组装法，氧化石墨烯溶液在90～180℃下在高压反应釜中进行水热处理，或者通过冷冻干燥法后即可获得气凝胶结构。但是，该方法制备的气凝胶也会造成部分石墨烯片层的堆积。

（2）模板法是将石墨烯片层搭载在三维模板上，这种方法制备的氧化石墨烯气凝胶具有极高的比表面积，一般可用作超级电容器等器件的制备，但是，由于模板法制备的氧化石墨烯工艺很复杂，而且模板去除比较繁琐，模板的生产过程以及去除过程会产生很多有害废液。

CN108147399A公开了一种三维石墨烯氧化镍传感器材料的制备方法，是将三维石墨烯与氧化镍结合，有助于改善氧化镍的表面形态，增强了传感器检测的灵敏度。虽然该方法制备工艺简单，通过提高材料比表面积和表面活性空位提高了响应效率，但是，泡沫镍的空洞较大，不利于石墨烯的搭载，其石墨烯片层相互堆叠，不是单层，不适合用于检测较低浓度的气体。

CN102718210A公开了一种氧化石墨烯三维自组装气凝胶的制备方法及应用，是将糖和石墨烯混合后制备气凝胶。但是，该方法会造成糖粘附在石墨烯表面，对石墨烯的性能具有抑制作用。

CN111874892A公开了一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用，是采用氧化石墨烯和交联剂作用生成石墨烯气凝胶。但是，由于交联剂的加入，可能会将氧化石墨烯包裹在交联剂内不利于气敏传感，且该工艺所使用的有机溶剂对环境影响较大。

Yavari等人（Scientific Reports, 2011,1 (1) 166）使用多孔泡沫镍支架作为沉积石墨烯的模板制备了一种3D石墨烯泡沫，化学气相沉积（CVD）是在1000℃的环境下，通过CH₄分解在泡沫镍上沉积碳原子，然后用盐酸溶液进行化学蚀刻去除镍支架；为了在镍蚀刻过程中保持泡沫的完整性，并防止其坍塌，还在泡沫镍上形成的石墨烯表面沉积了一层薄薄的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）；在最后一步中，PMMA层被热丙酮溶解，形成独立的三维石墨烯网络结构。虽然所得材料在20ppm NO₂的浓度下，于400s时，可以达到动态响应平衡，此时灵敏度约为4%，但是，该方法制备复杂，并且伴随大量有毒有害物质的产生。