一种低温制备贝壳状结构弹性石墨烯泡沫的方法与流程

本发明属于石墨烯气凝胶领域，特别涉及一种低温制备贝壳状结构弹性石墨烯泡沫的方法。

背景技术：

石墨烯(Graphene)是由sp2杂化碳原子组成的，呈现出正六边形周期蜂窝点阵结构，其厚度很小。石墨烯具有良好的导电、导热、力学等物理性能，自2004年首次被科学家成功制备出以来(Novoselov,K.S.et al.Science.2004,3006,666)其独特的二维结构和优异的性能受到众多学者的广泛关注。石墨烯优良的机械性能、电学性能及热力学性能，在电池、超级电容器、药物传递等方面具有广泛的应用。

气凝胶(Aerogel)又称干凝胶，是一种多孔泡沫状的固体材料，具有极轻的密度以及很高的比表面积。其外表呈固态，内部网孔状结构充满着气体介质。石墨烯气凝胶是以石墨烯作为骨架而形成的气凝胶，同时具备了石墨烯和气凝胶的特性，具有高的孔隙率、超轻的密度、良好的机械强度，以及优异的电导率等性能。其具有石墨烯特殊的二维结构和优异的物化性质使石墨烯气凝胶的制备和性能研究受到关注。

目前，已经有很多种制备弹性石墨烯泡沫的方法。包括水热法自组装、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法等。水热法通常需要较高的温度和压强；化学气相沉积法通常用3D的镍泡沫作为衬底，然后在高温条件下于其上沉积石墨烯，但是这种方法需要高温，并且成本比较高。上述方法得到弹性石墨烯泡沫需要的条件苛刻，制备流程复杂，成本高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种低温制备贝壳状结构弹性石墨烯泡沫的方法，该方法制备方法简单，无需高温等复杂工艺，制作成本低廉；制备的贝壳状结构弹性石墨烯泡沫具有高表面积、质量轻、优异的弹性、高吸附性，在污染物吸附和电路器件等方面有着广阔的应用前景。

本发明的一种低温制备贝壳状结构弹性石墨烯泡沫的方法，包括：

(1)在室温下，将氧化石墨加入去离子水配成氧化石墨分散液，超声搅拌，将溶液冷冻后进行真空冷冻干燥，得到氧化石墨泡沫；

(2)将上述氧化石墨泡沫浸入氢碘酸中还原，然后清洗并再次冷冻，得到冰冻样品；将冰冻样品进行真空冷冻干燥，得到贝壳状结构弹性石墨烯泡沫。

所述步骤(1)中的氧化石墨分散液的浓度为15～50mg/mL；超声时间为15～72h；搅拌时间为24～72h。

所述步骤(1)中的冷冻温度为-200℃～-5℃，冷冻时间为1～5h。

所述步骤(1)中的真空冷冻干燥温度为-60℃～-40℃，真空冷冻干燥时间为24～72h，真空度为20～200Pa。

所述步骤(2)中氧化石墨泡沫浸入氢碘酸中还原的时间为1～4h。

所述步骤(2)中的清洗为用乙醇和去离子水清洗。

所述步骤(2)中的冷冻温度为-200℃～-5℃，冷冻时间为1～5h。

所述步骤(2)中的真空冷冻干燥的温度为-60℃～-40℃，真空冷冻干燥时间为24～96h，真空度为20～200Pa。

有益效果

(1)本发明的制备方法简单，无需高温等复杂工艺，制作成本低廉。

(2)本发明直接通过氧化石墨泡沫得到弹性石墨烯泡沫，保持石墨烯原有的结构特征，具有优异的力学性能，能够承受经过多次压缩并迅速恢复初始样貌，具有良好的导电性，其电阻随着弹性石墨烯泡沫形状的变化而变化，可以用作具有弹性的电子器件。

(3)本发明所制备的贝壳状结构弹性石墨烯泡沫具有高表面积、质量轻、优异的弹性、高吸附性，在污染物吸附和电路器件等方面有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例1制备贝壳状结构弹性石墨烯泡沫的数码照片；

图2为实施例1制备贝壳状结构弹性石墨烯泡沫的扫描电镜图；

图3为实施例1制备贝壳状结构弹性石墨烯泡沫的拉曼光谱图；

图4为实施例1制备贝壳状结构弹性石墨烯泡沫在循环应变40％作用下的时间-电流曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

在室温下，称取氧化石墨800mg，置于50mL的烧杯中，然后加去离子水20mL配成浓度为40mg/mL的氧化石墨分散液，然后将烧杯放入超声仪中超声处理24h，然后在烧杯中加入磁子后将烧杯置于磁力搅拌器上处理24h，再放入超声仪中超声处理24h。

将处理后的分散液先冷冻处理3h，冷冻处理的温度为-8℃，然后真空冷冻干燥处理48h，处理过程中真空度稳定在50Pa左右，温度为-45℃。对获得的氧化石墨泡沫用氢碘酸还原，时间为2h。将还原后的泡沫用乙醇和去离子水进行多次洗涤，然后冷冻处理3h，冷冻处理的温度为-8℃，再真空冷冻干燥处理48h，处理过程中真空度稳定在50Pa左右，温度为-45℃。图1为本实施例制备的贝壳状结构弹性石墨烯泡沫的数码照片，可以看出：弹性石墨烯泡沫的质量非常的轻，计算得密度为0.028g/cm³。图2为本实施例制备的弹性石墨烯泡沫的扫描电镜图，可以看出泡沫内部为贝壳状结构，使其有很高的孔隙率。图3为本实施例制备的弹性石墨烯泡沫的拉曼光谱图，可以看出：图中明显的双峰(D峰和G峰)在还原前后有明显的变化，峰值之比I_d/I_g由还原前的0.98增大为还原后的1.43，表明还原反应使其结构发生开了较大的变化，还原度很大。图4为本实施例制备的弹性石墨烯泡沫的时间电流曲线，出现的每个峰值表明此时弹性石墨烯泡沫被压缩40％，图中可以明确的看出弹性石墨烯泡沫发生定量的形变时，其对应的电流变大恒定的倍数，由此可以说明该弹性石墨烯泡沫在形变时，其电阻也是发生变化的。

实施例2

在室温下，称取氧化石墨600mg，置于50mL的烧杯中，然后加去离子水20mL配成浓度为30mg/mL的氧化石墨分散液，然后将烧杯放入超声仪中超声处理36h，然后在烧杯中加入磁子后将烧杯置于磁力搅拌器上处理36h，再放入超声仪中超声处理36h。

将处理后的分散液先冷冻处理3h，冷冻处理的温度为-8℃，然后真空冷冻干燥处理48h，处理过程中真空度稳定在50Pa左右，温度为-45℃。对获得的氧化石墨泡沫用氢碘酸还原，时间为2h。将还原后的泡沫用乙醇和去离子水进行多次洗涤，然后冷冻处理3h，冷冻处理的温度为-8℃，再真空冷冻干燥处理48h，处理过程中真空度稳定在50Pa左右，温度为-45℃。对得到的弹性石墨烯泡沫进行测试，发现其强度相对实施例1减少了10％，测其拉曼光谱，可以观察到还原程度基本与实施例1中的样品保持一致。

实施例3

在室温下，称取氧化石墨1000mg，置于50mL的烧杯中，然后加去离子水20mL配成浓度为50mg/mL的氧化石墨分散液，然后将烧杯放入超声仪中超声处理36h，然后在烧杯中加入磁子后将烧杯置于磁力搅拌器上处理36h，再放入超声仪中超声处理36h。

将处理后的分散液先冷冻处理3h，冷冻处理的温度为-8℃，然后真空冷冻干燥处理48h，处理过程中真空度稳定在50Pa左右，温度为-45℃。对获得的氧化石墨泡沫用氢碘酸还原，时间为2h。将还原后的泡沫用乙醇和去离子水进行多次洗涤，然后冷冻处理3h，冷冻处理的温度为-8℃，再真空冷冻干燥处理48h，处理过程中真空度稳定在50Pa左右，温度为-45℃。对得到的弹性石墨烯泡沫进行测试，发现强度相对实施例1增加了12％。测其拉曼光谱，可以观察到还原程度较实施例1中的样品略低。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。