本发明属于材料领域，涉及一种石墨烯泡沫特别是利用石墨烯衍生物易于分散且具微波吸收特性，首先将石墨烯衍生物配制为溶液，然后石墨烯衍生物溶液制备为石墨烯衍生物泡沫，随后石墨烯衍生物泡沫以设定速度在设定气氛下通过微波加热区进行微波加热处理以将其中的石墨烯衍生物转化为石墨烯，然后冷却即可获得石墨烯泡沫。
背景技术：
石墨烯作为一种二维材料，其具有优异的力学性质(杨氏模量高达1.0TPa)、电学性质(电子迁移率高达106cm2.v-1s-1)、热学性质(热导系数高达5000w.m-1.k-1)、光学性质(单层石墨烯的可见光吸收仅有2.3％和优异的锁模特性)，超大的理论比表面积(2630m2.g-1)及单片层结构赋予其独特的化学和电化学活性使得石墨烯在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景。在石墨烯众多应用中石墨烯材料泡沫以其轻质、高性能、多孔而在包括能源、催化、传感等领域的巨大应用潜力获得人们的高度关注。为此全球科学家与企业科研人员在石墨烯材料泡沫方面进行了大量探索并获得了很大进展。石墨烯材料泡沫有两种形式：一种是石墨烯泡沫，其主要通过在作为模板的多孔材料上气相沉积石墨烯然后去除模板材料而获得。石墨烯泡沫在性能优良，但是牺牲模板及高温气相沉积的费时、高能耗影响了其大规模应用。另外一种是石墨烯衍生物泡沫，其一般由石墨烯衍生物溶液通过冷冻干燥、超临界技术、冰模板等方法制备。石墨烯衍生物泡沫在性能方面显著弱于石墨烯泡沫，但在石墨烯分散性能不良，不能通过溶液技术制备泡沫的情况下，籍由溶液制备的石墨烯衍生物泡沫由于方便、低能耗并且不需要牺牲模板而成为目前石墨烯材料泡沫领域的热点研究领域。因此如何方便快捷地将石墨烯衍生物泡沫转化为石墨烯泡沫就成为石墨烯材料泡沫领域的一个重大挑战。目前人们的做法主要是通过包括化学还原、高温还原等多种方法试图将石墨烯衍生物泡沫转化为石墨烯泡沫，虽然取得一定进展，但仍需要进一步探索。除了特别高的温度长时间处理，普通化学还原及高温还原方法处理石墨烯衍生物后其中碳的含量很难超过85％，而特别高的温度长时间处理不仅能耗大，而且还会对石墨烯衍生物的泡沫多孔结构造成损伤。因此迫切需要开发新的技术以将石墨烯衍生物泡沫转化为石墨烯泡沫。为此本发明在国际上首次利用石墨烯衍生物具微波吸收特性及微波具有升温快速的特点，通过将石墨烯衍生物泡沫在设定气氛下以设定速度通过微波加热区，从而在精确控制加热时间及避免加热不均的情况下加热处理石墨烯衍生物泡沫并将石墨烯衍生物泡沫转化为石墨烯泡沫。事实上，微波处理在石墨烯相关材料中应用已经有一些相关研究。例如人们制备氧化石墨烯时一种方法就是微波处理氧化石墨，籍由微波加热达两千多摄氏度的高温导致氧化石墨内部产生大量气体而将石墨中少层甚至单层氧化石墨烯相互分离开来。而两千摄氏度以上高温已经几乎可以彻底还原氧化石墨烯而将其转化为石墨烯。我们的实验表明在非氧化气氛下微波加热处理包括氧化石墨烯和还原氧化石墨烯在内的石墨烯衍生物可以高效地转化为石墨烯。问题是普通微波加热处理由于集中加热，因此局部温度高，导致剧烈反应并使得石墨烯衍生物材料的结构发生破坏，薄膜、泡沫均成碎屑，因此必须有效控制微波加热过程使得既能够有效高温处理石墨烯衍生物，又可以避免剧烈反应对石墨烯衍生物材料结构的破坏。我们的实验表明在设定气氛下时间小于3秒的短暂的微波加热即可以将石墨烯衍生物有效转化为石墨烯，但是由于还原产生的包括水气在内的气体的急剧膨胀是导致石墨烯衍生物材料结构破坏的一个重要推手，因此我们就产生了快速微波加热，随后快速冷却导致还原产生的水汽等避免急剧膨胀的思路。实验表明通过通入冷的氮气的情况下，石墨烯衍生物材料在被微波快速加热后由于快速冷却还原产生的气体因此能够较好地保持石墨烯衍生物材料的结构并最终转化为石墨烯材料，当然一边通入冷却的氮气冷却一边加热材料，从能量消耗的角度看还有待改进。石墨烯衍生物材料微波加热处理的另外一个问题是微波加热区加热不均匀的问题，这与微波炉中加热电场的均匀性有关，虽然可以通过设计如曲面天线结构等方式提高微波炉加热均匀性，但电场不均匀难以避免，而不均匀加热的效果则导致石墨烯衍生物材料转化为石墨烯的效果在不同区域存在差异并影响整体性能，并且如果提高加热时间则可能发生一部分石墨烯衍生物材料因为加热过度而受到破坏，而另外一部分则可能还没有很好地还原。所以为了减少一边微波加热，一边冷却流体冷却带来能耗的增加及提高微波加热处理的均匀性，我们考虑了石墨烯衍生物材料在设定气氛下以设定速度通过微波加热区加热而精确控制加热时间，然后快速冷却的方法，使得所有区域的石墨烯衍生物均通过整个微波加热区而获得相对一致的加热，并且微波加热完成后除非特殊需要降温就先室温冷却，然后离开微波炉再通过冷却装置进行冷却从而减少冷却的能耗。实验表明我们的方法效果良好，就石墨烯衍生物泡沫转化为石墨烯泡沫而言，石墨烯部分的碳的含量超过90％，由于普通石墨吸附有3％的氧气，因此接近完全还原，并且呈现出良好的电性能。所以本发明的方法综合利用了石墨烯衍生物溶液易于制备石墨烯泡沫的特点、石墨烯衍生物具微波吸收特性和微波具快速选择性加热特性、石墨烯衍生物在设定气氛下加热处理可以转化为石墨烯的特点、石墨烯衍生物泡沫以设定速度通过微波加热区可以精确控制微波加热时间及改进加热不均的特点以及石墨烯衍生物泡沫微波加热后冷却可以避免加热还原气体的急剧膨胀对石墨烯衍生物泡沫的破坏的特点，从而可以方便、快捷、低能耗地批量制备石墨烯泡沫材料，有望为石墨烯泡沫材料的进一步发展及推广应用作出贡献。
技术实现要素：
技术问题：本发明的目的是提供一种石墨烯泡沫的制备方法，特别是利用石墨烯衍生物通过溶液方法易于制备泡沫，然后利用石墨烯衍生物微波吸收性能、微波加热快速高效和石墨烯衍生物泡沫在设定速度下通过微波加热区可以精确控制加热时间、改进加热不均的特点和石墨烯衍生物在设定气氛下加热处理可以转化为石墨烯的特点以及石墨烯衍生物泡沫微波加热后冷却可以避免微波加热还原产生的气体的急剧膨胀对石墨烯衍生物泡沫结构的破坏的特点而将石墨烯衍生物泡沫转化为石墨烯泡沫。该方法方便、快捷、低能耗，能够批量制备石墨烯泡沫材料，因此有助于石墨烯泡沫材料更好地服务社会。
技术方案：本发明的一种石墨烯泡沫的制备方法为：首先制备石墨烯衍生物泡沫，然后在设定气氛下石墨烯衍生物泡沫以设定速度通过微波加热区进行加热处理并将其中石墨烯衍生物转化为石墨烯，随后进行冷却即可获得石墨烯泡沫。
其中：
所述石墨烯衍生物是指石墨烯的氧化物包括氧化石墨烯和还原氧化石墨烯。
所述石墨烯碳含量大于90％。
所述制备石墨烯衍生物泡沫为通过石墨烯衍生物溶液籍由冷冻干燥法、水热-冷冻干燥法、还原组装-冷冻干燥法、交联-冷冻干燥法、石墨烯衍生物水凝胶-超临界干燥法而制备石墨烯衍生物泡沫。
所述石墨烯衍生物转化为石墨烯是指石墨烯衍生物吸收微波而升温并在设定气氛下导致氧化的石墨烯被还原转化为石墨烯。
所述设定气氛是指惰性气氛、还原性气氛或者真空状态。惰性气氛是指气体不与石墨烯衍生物反应的气体如氮气、氦气、氩气；还原性气氛是指气体中含有能够还原石墨烯衍生物的气体如氢气、醇类、烷烃类气体；真空状态是指气压小于4KPa(相对真空度小于-20KPa)。
所述石墨烯衍生物泡沫以设定速度通过微波加热区根据微波加热区尺寸控制加热时间。
所述石墨烯衍生物泡沫离开微波加热区并被冷却是指通过冷的氛围而冷却混合物。
所述微波加热处理可以重复即可以多次微波高温处理混合物。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本申请首次综合利用石墨烯衍生物通过溶液方法易于制备泡沫、石墨烯衍生物具微波吸收性能、微波加热快速高效、石墨烯衍生物泡沫在设定速度下通过微波加热区可以精确控制加热时间、改进加热不均的特点和石墨烯衍生物在设定气氛下加热处理可以转化为石墨烯的特点以及石墨烯衍生物泡沫微波加热后冷却可以避免微波加热还原产生的气体的急剧膨胀对石墨烯衍生物泡沫结构的破坏的特点而将石墨烯衍生物泡沫转化为石墨烯泡沫。本方法不但方便、快捷、低能耗，而且能够批量制备石墨烯泡沫材料，因此有助于石墨烯泡沫材料更好地服务社会及其进一步发展及应用作出贡献。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一：
首先制备氧化石墨烯粉末和还原氧化石墨烯粉末。30克石墨混合15g硝酸钠和750毫升浓硫酸。将混合物在冰浴中冷却到0摄氏度，并搅拌2h后，缓慢加入90克高锰酸钾，保持混合过程中混合物温度低于5摄氏度。该混合物再搅拌一个小时，并通过移除冰浴而加热到室温。混合物中添加1升蒸馏水并在油浴中的温度增加到90摄氏度。另外添加300毫升水，并再搅拌一个半小时。混合物的颜色变成棕色。混合物然后用30％的300毫升过氧化氢和30升热水处理和稀释。该混合物进一步用过量的水洗涤，直到滤液的pH值几乎是中性的从而获得氧化石墨烯。然后将氧化石墨烯在水中分散并用水合肼在80摄氏度还原12小时。还原氧化石墨烯以黑色沉淀形成，用0.45μm PTFE膜过滤收集，并用大量的水冲洗。产品通过甲醇、四氢呋喃(THF)和水用索氏提取法进一步纯化。最后，所获得的还原氧化石墨烯在0.05毫米汞柱真空环境下零下120摄氏度冻干。随后用去离子水配制1毫克/毫升的还原氧化石墨烯水溶液。
其次配制0.3毫克/毫升的氧化石墨烯水溶液50毫升，然后加入0.3毫升氢碘酸和0.3克的抗坏血酸，搅拌均匀后，在95摄氏度反应6小时，利用还原组装得到还原氧化石墨烯水凝胶，然后通过浸泡去除多余的反应试剂，最后冷冻干燥获得还原氧化石墨烯泡沫。随后还原氧化石墨烯泡沫籍由传送带在氩气保护下以0.1米/秒的速度通过功率为1000瓦，直径为20厘米的微波加热区进行微波加热约2秒，随后进入由循环冷却水控制的室温气氛冷却区域进行冷却。还原氧化石墨烯泡沫重复微波加热处理3次后混合物中还原氧化石墨烯转化为石墨烯，其电导率大于150s/m。其中石墨烯的碳含量大于90％。
实施例二：
将50毫升5毫克/毫升的氧化石墨烯水溶液中放入体积匹配的泡沫镍，然后超声以去除气泡，随后加入0.3克的抗坏血酸，再超声5分钟，随后在95摄氏度下反应6小时，获得还原氧化石墨烯水凝胶包裹泡沫镍的复合物，该复合物通过去离子水浸泡去除多余的反应试剂后通过冷冻干燥获得还原氧化石墨烯泡沫与泡沫镍复合泡沫。该复合泡沫在在2KPa的真空环境下以0.05米/秒的速度在室温条件通过功率为800W的微波炉直径10厘米加热区进行加热约2秒，随后进入室温区域进行冷却。重复微波加热-冷却过程6次复合泡沫中还原氧化石墨烯转化为石墨烯，其碳含量大于90％即获得石墨烯泡沫包裹泡沫镍的复合泡沫材料，其电导率大于65000s/m。
实施例三：
将50毫升5毫克/毫升的氧化石墨烯水溶液中放入体积匹配的聚氨酯泡沫，然后超声10分钟以去除气泡，随后加入0.3克的抗坏血酸及0.3毫升氢碘酸，再超声5分钟，随后在95摄氏度下反应6小时，获得还原氧化石墨烯水凝胶包裹聚氨酯泡沫的复合物。然后将复合物通过去离子水浸泡去除多余的反应试剂后通过冷冻干燥获得还原氧化石墨烯泡沫与聚氨酯泡沫的复合泡沫。该复合泡沫在零下10摄氏度氮气保护下由传送带带动以0.1米/秒的速度通过功率为800W的微波炉直径10厘米加热区进行加热约1秒，随后进入零下10摄氏度区域进行冷却。重复微波加热-冷却过程10次复合泡沫中还原氧化石墨烯转化为石墨烯，其碳含量大于90％即获得石墨烯泡沫包裹聚氨酯泡沫的复合泡沫材料，其电导率大于150s/m。
实施例四：
首先配制1毫克/毫升的氧化石墨烯水溶液50毫升，然后加入水合肼5毫升并混合均匀并放入高压反应罐，然后在160摄氏度水热反应6小时获得还原氧化石墨烯水凝胶，然后将还原氧化石墨烯水凝胶通过去离子水浸泡去除多余的反应试剂后通过冷冻干燥获得还原氧化石墨烯泡沫。将还原氧化石墨烯泡沫籍由传送带在氮气与氢气比例为55:1的气氛保护下以0.1米/秒的速度通过功率为1000瓦，直径为20厘米的微波加热区进行微波加热约2秒，随后进入由循环冷却水控制的室温气氛冷却区域进行冷却。还原氧化石墨烯泡沫重复微波加热处理2次后泡沫中的还原氧化石墨烯转化为石墨烯，其中碳含量大于90％。该石墨烯泡沫的电导率大于150s/m。
实施例五：
首先配制2毫克/毫升的氧化石墨烯水溶液，然后将其置于液氮中冷冻形成固态，随后冷冻干燥获得氧化石墨烯泡沫。然后将氧化石墨烯泡沫在氮气保护下200摄氏度真空干燥器处理2小时，获得还原氧化石墨烯泡沫。随后还原氧化石墨烯泡沫籍由传送带在氦气保护下以0.1米/秒的速度通过功率为1000瓦，直径为20厘米的微波加热区进行微波加热约2秒，随后进入由循环冷却水控制的室温气氛冷却区域进行冷却。混合物重复微波加热处理5次后泡沫中还原氧化石墨烯转化为石墨烯即获得石墨烯泡沫，其中石墨烯的碳含量大于90％，其电导率大于150s/m。