生产石墨烯泡沫的方法与流程

本发明涉及功能材料技术领域，特别是涉及一种生产石墨烯泡沫的方法。

背景技术：

石墨烯作为一种新兴的明星材料，从发现至今经历了迅速的发展。石墨烯是由碳原子构成的二维材料，具有良好的电学、力学特性，有很广阔的应用前景。作为一种微观二维材料，石墨烯的应用受到较多限制，而石墨烯的宏观化材料能够大大提升适用性，促进其发展应用。基于二维石墨烯材料构建的三维宏观材料，如石墨烯泡沫，具有良好的导电导热性能，吸附性能等，可用于能源、催化、传感等多种领域。然而石墨烯材料合成困难，价格昂贵，制约了其工业化应用和发展。

为此，全球科学家及企业科研人员在石墨烯泡沫材料的制造上进行了大量探索，并获得了很大进展。现在已经出现了一些石墨烯泡沫的合成技术。比如，中国专利文献CN106629685A公开了一种具有多级结构的三维石墨烯泡沫及其制备方法，具体公开了一种在金属泡沫骨架上进行化学气相沉积的方法制备石墨烯泡沫。中国专利文献CN103213978A公开了一种石墨烯泡沫的制造方法，具体公开了用水热处理氧化石墨烯溶液再冻干的方法制备石墨烯多孔泡沫。但是，上述专利提供的合成石墨烯宏观泡沫材料的方法，步骤繁多，所需仪器复杂，制造成本高昂，难以大规模生产。因此，寻求一种高效的、廉价的、可以大规模合成石墨烯泡沫的工艺迫在眉睫。

技术实现要素：

基于上述缺陷，本发明的目的在于提供一种高效地生产石墨烯泡沫的方法，该方法可以实现高性能、多功能性石墨烯泡沫的简单快速、规模化的制备；该方法制备的石墨烯泡沫具有较好的导电性、吸附性和稳定性。

上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种生产石墨烯泡沫的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、以化学氧化法制备氧化石墨烯；

步骤二、将所述氧化石墨烯，分散于水中，得到氧化石墨烯溶液；

步骤三、将燃料分子与所述氧化石墨烯溶液混合均匀，得到混合溶液；

步骤四、对所述混合溶液持续加热，直至变为粘稠的胶体；

步骤五、将所述胶体放入预热的马弗炉中加热，得到所述石墨烯泡沫。

优选地，所述氧化石墨烯溶液的浓度为6-10mg/mL；更优选地，所述氧化石墨烯溶液的浓度为6mg/mL。

优选地，步骤一中，所述化学氧化法为改进Hummer法，利用浓硫酸及高锰酸钾氧化石墨粉体制备所述氧化石墨烯，其中，所述浓硫酸和所述高锰酸钾的质量比(1-1.5):1。

优选地，所述燃料分子溶于水，在空气中能够完全燃烧，燃烧产生大量气体，所述气体包括CO₂、H₂O以及N₂，所述燃料分子的燃点为150-500摄氏度。所述氧化石墨烯具有氧化性，燃料分子在高温下燃烧，释放出大量气体，在石墨烯层间形成网络孔状结构。

优选地，所述燃料分子包括甘氨酸(C₂H₅NO₂)，丙氨酸(C₃H₇NO₂)，尿素(CO(NH₂)₂)以及蔗糖(C₁₂H₂₂O₁₁)中的一种或多种。优选地，所述燃料分子为甘氨酸；或者优选地，所述燃料分子为甘氨酸与尿素以质量比1:1混合。

优选地，通过控制所述燃料分子与所述氧化石墨烯的比例来控制产物,即通过对所述氧化石墨烯溶液的浓度和加入的所述燃料分子的质量的调节，来控制石墨烯泡沫的结构差异及还原程度。

优选地，步骤三中，所述燃料分子与所述氧化石墨烯质量比为5:1-25:1，由于所述燃料分子的溶解度的限制，步骤三中，所述氧化石墨烯溶液体积优选20ml。更优选地，步骤三中，将1-3克的所述燃料分子加入到20ml的所述氧化石墨烯溶液中，混合均匀。进一步地，将2g的所述燃料分子加入到20ml的浓度为6-10mg/mL的所述氧化石墨烯溶液中混合均匀。

优选地，步骤四中，将所述混合溶液加热至120-150摄氏度，持续5-20分钟，直至变为粘稠的胶体。更优选地，将所述混合溶液持续加热10-15分钟。

优选地，步骤五中，所述马弗炉的预热温度设置为150-500摄氏度，所述预热温度在所述燃料分子的燃点之上，所述胶体在所述马弗炉中加热15-60s；更优选地，所述马弗炉的预热温度设置为350-400摄氏度，所述胶体在马弗炉中放置30s后取出，得到黑色的多孔状泡沫产品，即为所述石墨烯泡沫。该产品具有三维孔状结构，且密度较低，具有较好的导电性、吸附性、稳定性。

有益效果：

本发明生产石墨烯泡沫的方法通过调控燃料分子的量及马弗炉的温度，从而控制产品石墨烯泡沫的网络孔状结构。一般来说，燃料分子越多，温度越高，燃烧反应越剧烈，得到的孔就越大，孔密度越高，整体材料密度越小，但是相应的，力学强度会变弱。

该方法具有以下优点：(1)该方法操作简单快捷，易于快速、大规模化生产石墨烯泡沫材料；(2)所生产的石墨烯泡沫具有三维孔状结构，且密度较低，具有较好的导电性、吸附性、稳定性，有多种应用前景；(3)本发明生产的石墨烯泡沫在能源、传感、催化等方面有巨大的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明石墨烯泡沫扫描电子显微镜照片显示的多孔状结构图。

图2是本发明石墨烯泡沫透射电子显微镜照片显示的多孔结构图。

图3是本发明拉曼光谱结果显示图。

图4是本发明XRD(X射线衍射图谱)结果显示图。

图5是本发明FTIR(傅里叶转换红外光谱)结果显示图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体实施方式以及附图1-5，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

一种生产石墨烯泡沫的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：以化学氧化法制备氧化石墨烯，所述化学氧化法为改进Hummer法，利用浓硫酸及高锰酸钾氧化石墨粉体制备所述氧化石墨烯，其中，所述浓硫酸和所述高锰酸钾的质量比(1-1.5):1；

步骤二：将所述氧化石墨烯分散于水中，得到浓度为6-10mg/mL的氧化石墨烯溶液，更优选浓度为6mg/mL的氧化石墨烯溶液；

步骤三：将1-3克燃料分子加入20ml的所述氧化石墨烯溶液中，混合均匀，得到混合溶液，即所述燃料分子与所述氧化石墨烯质量比控制在5:1-25:1之间；其中，所述燃料分子在水中可溶解，在空气中可完全燃烧，燃烧产生大量气体，所述气体包括CO₂、H₂O以及N₂等；所述燃料分子的燃点为150-500摄氏度；进一步地，所述燃料分子包括甘氨酸(C₂H₅NO₂)，丙氨酸((C₃H₇NO₂))，尿素(CO(NH₂)₂)以及蔗糖(C₁₂H₂₂O₁₁)中的一种或多种；所述氧化石墨烯具有氧化性，所述燃料分子在高温下燃烧，释放出大量气体，在石墨烯层间形成网络孔状结构；通过控制所述燃料分子与所述氧化石墨烯的比例来控制产物，即通过对氧化石墨烯浓度及加入的燃料分子的质量的调节，来控制石墨烯泡沫的结构差异及还原程度；

步骤四：对所述混合溶液加热至120-150摄氏度，持续加热5-20分钟，直至变为粘稠的胶体，进一步优选持续加热10-15分钟；

步骤五：将所述胶体放入预热至150-500摄氏度的马弗炉中，15-60s后取出，得到黑色的多孔状泡沫产品；更优选地，将所述胶体放入预热至350-400摄氏度的马弗炉中，所述胶体在马弗炉中加热30s，得到黑色的多孔状泡沫产品，该产品具有三维孔状结构，且密度较低，具有较好的导电性、吸附性、稳定性。

本发明所制备的石墨烯泡沫，通过图1的扫描电子显微镜照片可以看出石墨烯泡沫所具有的多孔状结构；图2透射电子显微镜照片进一步说明该产品的多孔结构，其孔大小在微米级；图3拉曼光谱结果显示，2D-band峰强度远高于D-band和G-band,为少层或单层石墨烯区别于多层石墨烯的最主要特征，同时G-band峰强度比D-band略高，显示较好的结晶性；图4XRD(X射线衍射图谱)结果显示，产品的衍射峰在25度左右，为石墨烯的特征峰，而氧化石墨的衍射峰(10度)在产品中完全消失，表明氧化石墨完全被还原为石墨烯；图5FTIR(傅里叶转换红外光谱)结果显示，氧化石墨中的C-O官能团对应的峰在产品中消失，表明氧化石墨完全被还原为石墨烯。

下面结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。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。

实施例一：

首先采用改进Hummer法制备氧化石墨烯：2g石墨粉末在80摄氏度恒温下混合12ml浓硫酸、2.5g五氧化二磷和2.5g过硫酸钾；反应在80度保持24小时剧烈搅拌；之后，将500ml去离子水缓慢加入到混合物中；接着将溶液过滤，并用去离子水冲洗直到滤液pH为中性；滤饼在室温下干燥得到黑色粉末，并将其在冰浴下加入120ml浓硫酸和30ml浓硝酸中；接着将15g高锰酸钾一边搅拌一边缓慢加入上述溶液中；混合完成后，加热至35摄氏度搅拌96小时，得到粘稠液体；随后加入1L去离子水，并缓慢加入20ml的30％的双氧水，得到黄色溶液；最后将溶液过滤，并用1LHCl溶液(1:10)及去离子水冲洗直至滤液为中性，将滤饼干燥待用。随后用去离子水配制相应浓度的氧化石墨烯水溶液。

配制6mg/mL的氧化石墨烯水溶液20ml，将2克的甘氨酸加入溶液中，混合均匀，得到混合溶液；接着将混合溶液加热至150摄氏度，持续10分钟，直至变为粘稠的胶体；最后将该胶体放入预热至250度的马弗炉中，30秒后取出，得到黑色的多孔状泡沫产品。

实施例二：

配制6mg/mL的氧化石墨烯水溶液20ml，将2克的混合燃料加入溶液中，所述混合燃料包括甘氨酸及尿素，其质量比1:1，混合均匀，得到混合溶液；接着将混合溶液加热至120摄氏度，持续15分钟，直至变为粘稠的胶体；最后将该胶体放入预热至400度的马弗炉中，30秒后取出，得到黑色的多孔状泡沫产品。

本发明生产石墨烯泡沫的方法通过调控燃料分子的量及马弗炉的温度，从而控制产品石墨烯泡沫的网络孔状结构；该方法操作简单快捷，易于快速、规模化生产石墨烯泡沫材料。该方法所得产品具有三维孔状结构，且密度较低，具有较好的导电性、吸附性、稳定性，有巨大的市场应用前景。