一种三维石墨烯气凝胶及其制备方法

本发明涉及三维石墨烯气凝胶领域，特别是涉及一种三维石墨烯气凝胶及其制备方法。

背景技术：

1、石墨烯气凝胶是一种由石墨烯片层交联形成的宏观三维材料，具有高比表面积、强吸附、高导电性的特点，为其作为cdi电极材料提供了广阔的应用前景，目前，石墨烯气凝胶的制备(例如原位组装法、模板法、化学交联法等)，通常以氧化石墨烯为前驱体，通过还原、片层组装的方式实现；针对还原过程，主要包括水热化学还原(例如使用肼作为还原剂，在180℃下反应10-24小时)和高温处理(通常在惰性气氛下，约1000℃甚至>2000℃处理数小时)。

2、然而，苛刻的制备条件、还原剂的引入、较长的反应时间，不但导致能源浪费、高成本、低纯度，而且会破坏石墨烯片层的sp2网络结构，更重要的是，表面电负性的含氧官能团被去除的同时，打破了片层之间的静电斥力，固有的范德华作用力和π-π作用力使得石墨烯片层重新堆叠，严重降低了石墨烯气凝胶的比表面积、离子传输性能，因此，以高效、无毒和低成本为目标，开发一种制备高质量的三维石墨烯材料的新型工艺，对cdi以及诸多领域具有重要意义。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种三维石墨烯气凝胶及其制备方法，以解决背景技术中提出的苛刻的制备条件、还原剂的引入、较长的反应时间，不但导致能源浪费、高成本、低纯度，而且会破坏石墨烯片层的sp2网络结构，更重要的是，表面电负性的含氧官能团被去除的同时，打破了片层之间的静电斥力，固有的范德华作用力和π-π作用力使得石墨烯片层重新堆叠，严重降低了石墨烯气凝胶的比表面积、离子传输性能的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种三维石墨烯气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、将浓度为1.5mg·ml-1的氧化石墨烯溶液，经冷冻干燥处理，制得金黄色的氧化石墨烯气凝胶；

4、s2、将氧化石墨烯气凝胶置入等离子体增强化学气相沉积的石英管中，并移至等离子体射频仪中心位置，调节石英管内部压力为60pa；

5、s3、设置等离子体射频功率，启动等离子体射频仪，在1秒内即可将氧化石墨烯气凝胶高效地还原、剥离，形成石墨烯气凝胶。

6、优选的，所述s2步骤中的等离子体射频仪的射频频率为13.56mhz。

7、优选的，所述s3步骤中启动等离子体生成器的瞬间，可以直观地观察到石英管中出现明亮的白色闪光，同时，氧化石墨烯气凝胶的颜色由金黄色变为黑色，且体积发生显著的膨胀。

8、优选的，所述s3步骤中等离子体射频功率为20-150w，优选为150w。

9、优选的，随等离子体射频功率由20w增加至150w，得到的石墨烯气凝胶的片层间距和比表面积由0.372nm、354.1m2·g-1增大至0.395nm、535.9m2·g-1。

10、优选的，石墨烯气凝胶呈现出交联的三维网络结构，在150w条件下，石墨烯片层厚度为1.1nm，与氧化石墨烯气凝胶相比，石墨烯气凝胶的质量降低30-35％。

11、优选的，所述s3步骤中等离子体射频功率为20w。

12、优选的，所述s3步骤中等离子体射频功率为50w。

13、优选的，所述s3步骤中等离子体射频功率为100w。

14、优选的，由权利要求1-9所述的任一方法制成。

15、与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：本发明的制备方法耗时短(1秒)、无需添加任何的还原剂或气体，很大程度上简化了传统石墨烯气凝胶的制备过程，提高了制备效率、降低了生产成本、为大规模制备石墨烯气凝胶提供可行性；此外，该制备方法在还原氧化石墨烯片层的过程中还具有良好的剥离特性，有效解决了传统还原氧化石墨烯过程中片层堆叠的问题；借助石墨烯气凝胶固有的三维网络结构，可通过简单的机械压覆方法，构建质量、大小可控的自支撑片层电极，基于该方法所制备出的石墨烯气凝胶具有良好的还原度(表面含氧环氧官能团去除率为78at％)、导电性(24.7s·m-1)、超高的比电容(165.5f·g-1)以及快速离子传输性能(warburg扩散系数5.2ω·mg·s-1/2)，将其作为电极材料用于电容去离子脱盐器件中，表现出卓越的盐吸附容量(24.1mg·g-1)，并且在4天连续盐离子吸附/脱附循环稳定性测试后可保持80％以上的脱盐性能。

技术特征：

1.一种三维石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种三维石墨烯气凝胶及其制备方法，其特征在于：所述s2步骤中的等离子体射频仪的射频频率为13.56mhz。

3.根据权利要求1所述的一种三维石墨烯气凝胶及其制备方法，其特征在于：所述s3步骤中启动等离子体生成器的瞬间，可以直观地观察到石英管中出现明亮的白色闪光，同时，氧化石墨烯气凝胶的颜色由金黄色变为黑色，且体积发生显著的膨胀。

4.根据权利要求1所述的一种三维石墨烯气凝胶及其制备方法，其特征在于：所述s3步骤中等离子体射频功率为20-150w，优选为150w。

5.根据权利要求1所述的一种三维石墨烯气凝胶及其制备方法，其特征在于：随等离子体射频功率由20w增加至150w，得到的石墨烯气凝胶的片层间距和比表面积由0.372nm、354.1m2·g-1增大至0.395nm、535.9m2·g-1。

6.根据权利要求1所述的一种三维石墨烯气凝胶及其制备方法，其特征在于：石墨烯气凝胶呈现出交联的三维网络结构，在150w条件下，石墨烯片层厚度为1.1nm，与氧化石墨烯气凝胶相比，石墨烯气凝胶的质量降低30-35％。

7.根据权利要求1所述的一种三维石墨烯气凝胶及其制备方法，其特征在于：所述s3步骤中等离子体射频功率为20w。

8.根据权利要求1所述的一种三维石墨烯气凝胶及其制备方法，其特征在于：所述s3步骤中等离子体射频功率为50w。

9.根据权利要求1所述的一种三维石墨烯气凝胶及其制备方法，其特征在于：所述s3步骤中等离子体射频功率为100w。

10.一种三维石墨烯气凝胶，其特征在于：由权利要求1-9所述的任一方法制成。

技术总结
本发明公开了一种三维石墨烯气凝胶的制备方法，包括以下步骤：S1、将浓度为1.5mg·mL<supgt;‑1</supgt;的氧化石墨烯溶液，经冷冻干燥处理，制得金黄色的氧化石墨烯气凝胶；S2、将氧化石墨烯气凝胶置入等离子体增强化学气相沉积的石英管中，并移至等离子体射频仪中心位置，调节石英管内部压力为60Pa；S3、设置等离子体射频功率，启动等离子体射频仪，在1秒内即可将氧化石墨烯气凝胶高效地还原、剥离，形成石墨烯气凝胶。

技术研发人员：孔维青,孙建鹏,刘晨苗,张萌
受保护的技术使用者：曲阜师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16