一种石墨烯纳米空化微球的制备方法与流程

本发明涉及新材料，尤其涉及到一种石墨烯纳米空化微球的制备方法。

背景技术：

1、石墨烯是由sp2杂化的碳原子互相连接组成的六边形蜂窝状结构的二维片层材料。石墨烯的sp2杂化促使碳原子的p轨道以肩并肩形式形成大π键。电子在这个大π键内可以自由移动，实验证明，石墨烯的面内载流子迁移率可达1.5*104cm2/(v s)，约为单晶硅的100倍。石墨烯迷人的性质受到了研究者的广泛关注，如何制备石墨烯也成了一个关键的课题。geim所采用的微机械剥离法虽然可以获得高质量的单层石墨烯，但这一方法产量很低，限制了其应用。近年来涌现出了许多新型石墨烯制备方法，包括外延生长法、化学气相沉积(cvd)、液相剥离法、化学氧化还原法、电化学剥离法等。石墨烯本身拥有独特的力学、电学、热学、光学等性能，不仅可以直接组装成新型材料，而且可以与其他材料复合制备纳米复合材料。然而，常规方法制备的石墨烯往往是以水溶液形式存在，而水的存在对石墨烯的储存，运输和使用带来了额外的成本和不便。此外，常规干燥工艺往往会导致石墨烯形成堆叠，对其溶解性产生根本性的破坏，很大程度上阻碍了石墨烯的大规模使用。在石墨烯片内引入微球结构可有效降低石墨烯片间的堆叠，是实现石墨烯干燥后再溶解的可行方案。

2、相变材料(pcm)是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。相变材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程。相变材料可分为有机和无机相变材料亦可分为水合相变材料和蜡质相变材料。我们最常见的相变材料非水莫属了，当温度低至0℃时，水由液态变为固态(结冰)。当温度高于0℃时水由固态变为液态(溶解)。在结冰过程中吸入并储存了大量的冷能量，而在溶解过程中吸收大量的热能量。冰的数量(体积)越大，溶解过程需要的时间越长。相变材料的蓄热机理与特点相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固-液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。相变材料的分类相变材料主要包括无机pcm、有机pcm和复合pcm三类。其中，无机类pcm主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等；有机类pcm主要包括石蜡、醋酸和其他有机物；近年来，复合相变储热材料应运而生，它既能有效克服单一的无机物或有机物相变储热材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。

3、常规方法制备的石墨烯往往是以水溶液形式存在，而水的存在对石墨烯的储存，运输和使用带来了额外的成本和不便。此外，常规干燥工艺往往会导致石墨烯形成堆叠，对其溶解性产生根本性的破坏，很大程度上阻碍了石墨烯的大规模使用，本发明提供了一种石墨烯纳米空化微球的制备方法以解决上述问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种石墨烯纳米空化微球的制备方法，微球结构的设计保持了石墨烯原有的物化性质，同时避免了石墨烯团聚对其储存，运输和使用带来了额外的成本和不便，极大的拓展了石墨烯的应用，且其干燥后仍然保持均匀且易于分散加工，极大的降低了石墨烯再加工成本。

2、技术方案

3、一种石墨烯纳米空化微球的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1：相变微胶囊的制备：将石蜡和乳化剂溶于水相溶剂中，在恒定温度与转速下搅拌一定时间形成稳定的水包油乳液，室温下离心后的沉淀即为石蜡微胶囊。

5、步骤2：石墨烯水相悬浮液的制备：将石墨烯分散在四氢呋喃溶液中与脱气水混合，一定温度下反应一定时间后，通过溶剂蒸发去除四氢呋喃，即可获得在水中分散稳定的石墨烯溶液。

6、步骤3：石墨烯纳米空化微球的制备：将步骤(1)中制备的石蜡微胶囊与步骤(2)中制备的石墨烯溶液混合，充分搅拌后抽滤，使石墨烯纳米片包裹在石蜡表面，最后在60℃下干燥，石蜡胶囊作为牺牲层加热熔融去除，即可获得空心状的石墨烯纳米空化微球。

7、进一步的，步骤1中的所述恒定温度与转速：温度为40-60℃，转速为400-1000rpm。

8、进一步的，步骤1中的所述一定时间为1-5h。

9、进一步的，步骤1中的乳化剂为8.3g十二烷基硫酸钠，石蜡为25g正二十烷，水相溶剂为250ml甲酰胺溶液。

10、进一步的，步骤1中的石蜡为相变材料，所述相变材料的可选对象包括但不限于石蜡、金属(镍)泡沫。

11、进一步的，步骤1中的所述乳化剂包括但不限于十二烷基硫酸钠，甲酰胺。

12、进一步的，步骤2中的石墨烯与四氢呋喃溶液按0.5/100的质量比共混制备，其中石墨烯为0.5g，脱气水为98g，四氢呋喃为1.5g，制备温度20-60℃，反应时间30-120分钟。

13、进一步的，步骤3中的所述石墨烯纳米空化微球是通过抽滤法将石蜡微胶囊与石墨烯通过层层组装的方式制备核壳结构的石墨烯微胶囊，石墨烯包覆在石蜡微胶囊的表面，随后通过加热熔融去除石蜡获得石墨烯纳米空化微球。

14、进一步的，所述石墨烯纳米空化微球由如下质量份的各组分制备而成：石墨烯0.5-5％、石蜡5-10％、脱气水70-85％，乳化剂1-5％，四氢呋喃1-5％。

15、有益效果

16、与现有技术对比，本发明的有益效果是：

17、1、通过微球结构设计保持了石墨烯原有的物化性质，同时避免了石墨烯团聚对其储存，运输和使用带来了额外的成本和不便，极大的拓展了石墨烯的应用。

18、2、常规干燥工艺往往会导致石墨烯形成堆叠，对其溶解性产生根本性的破坏，很大程度上阻碍了石墨烯的大规模使用，本发明设计的微球结构在石墨烯干燥后仍然保持均匀且易于分散加工，极大的降低了石墨烯再加工成本。

19、3、微球结构使石墨烯具有较大的比表面积200-300m2/g，密度仅为30-50mg/cm3，可用于电化学储能、催化材料、溶剂吸附、药物包覆和微波吸收等领域。

20、4、本发明的石墨烯纳米空化微球对于多种金属离子和可溶性有机物在吸附速率快的同时具有广谱且高吸附容量的特点具有巨大的应用前景。

技术特征：

1.一种石墨烯纳米空化微球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米空化微球的制备方法，其特征在于，步骤1中的所述恒定温度与转速：温度为40-60℃，转速为400-1000rpm，步骤1中的所述一定时间为1-5h。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米空化微球的制备方法，其特征在于，步骤1中的乳化剂为8.3g十二烷基硫酸钠，石蜡为25g正二十烷，水相溶剂为250ml甲酰胺溶液。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米空化微球的制备方法，其特征在于，步骤1中的石蜡为相变材料，所述相变材料的可选对象包括但不限于石蜡、金属(镍)泡沫。

5.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米空化微球的制备方法，其特征在于，步骤1中的所述乳化剂包括但不限于十二烷基硫酸钠，甲酰胺。

6.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米空化微球的制备方法，其特征在于，步骤2中的石墨烯与四氢呋喃溶液按0.5/100的质量比共混制备，其中石墨烯为0.5g，脱气水为98g，四氢呋喃为1.5g，制备温度20-60℃，反应时间30-120分钟。

7.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米空化微球的制备方法，其特征在于，所述石墨烯纳米空化微球由如下质量份的各组分制备而成：石墨烯0.5-5％、石蜡5-10％、脱气水70-85％，乳化剂1-5％，四氢呋喃1-5％。

技术总结
本发明公开了一种石墨烯纳米空化微球的制备方法，包括以下步骤：相变微胶囊的制备：将石蜡和乳化剂溶于水相溶剂中，在恒定温度与转速下搅拌一定时间形成稳定的水包油乳液，室温下离心后的沉淀即为石蜡微胶囊；石墨烯水相悬浮液的制备：将石墨烯分散在四氢呋喃溶液中与脱气水混合，一定温度下反应一定时间后，通过溶剂蒸发去除四氢呋喃，石墨烯纳米空化微球的制备：将石蜡微胶囊与石墨烯溶液混合，充分搅拌后抽滤，使石墨烯纳米片包裹在石蜡微胶囊表面，最后在60℃下干燥，石蜡胶囊作为牺牲层加热熔融去除，石墨烯纳米空化微球对于多种金属离子和可溶性有机物在吸附速率快的同时具有广谱且高吸附容量的特点。

技术研发人员：宗刚,刘逸新,李震,赵祯
受保护的技术使用者：山东稀有科技发展有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13