一种高强度及导电性能石墨烯复合膜的制备方法

本发明属于电解水制氢材料，尤其涉及一种高强度及导电性能石墨烯复合膜的制备方法。

背景技术：

1、氢气作为清洁能源载体，具有热值高、绿色环保等独特优势，具有巨大的应用潜力，因此国内外对氢能的研究热度持续走高，制氢技术更是此类研究的最热门领域之一。目前，已经可以实现商业化应用的制氢技术主要有碱性电解水制氢技术和聚合物电解水制氢技术。碱性电解水制氢，流程简单，操作方便；制造成本低，单体设备的产氢量大；技术成熟度高，各项技术指标接近国际水准。碱性电解池隔膜大多使用的是多孔陶瓷和石棉网，非常易于氧气和氢气的穿梭，降低了碱性电解池制备氢气的纯度和产率，限制了电解制氢的应用场景。而石墨烯作为近些年热门的新型材料其性能方面的优点可以使其用于碱性电解水制氢方面。

2、石墨烯具有导电性能好(电子迁移率是15000cm2·v-1·s-1)、比表面积大(约2600m2·g-1)以及机械性能好的特点。石墨烯膜卓越的电子导电性为电池内电子迁移提供了快速的传输通道，同时通过特殊的制备工艺，可以使所制得的石墨烯膜一面导电，一面不导电，可以避免电极短路问题。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供一种高强度及导电性能石墨烯复合膜的制备方法，旨在为提供适用于环境保护、水过滤和工业气体分离以及碱性电解水制氢系统的薄膜。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种高强度及导电性能石墨烯复合膜的制备方法，具体包括以下步骤：

4、s1：将原料木材在碱性溶液中浸泡后经过水热反应去除木质素；

5、s2:将处理后的木材使用使用去离子水清洗多遍，使之清洗液的ph值为7左右即可，然后将清洗完成的木材浸泡在去离子水中，放入磁力搅拌机中，设置一定转速，连续搅拌一定时间后，得到木质纤维悬浮液，将其配制为一定浓度的木质纤维悬浮液；

6、s3:将石墨烯分散液放在电磁搅拌机中，设置一定转速，搅拌一定时间，然后将石墨烯分散液配制为一定浓度的溶液；

7、s4:使用循环水真空泵在一定压力下进行抽滤，在基底膜上，先取一定量的木质纤维悬浮液进行抽滤一定时间，在基底膜上形成一层木质纤维薄层，然后取一定量的石墨烯水溶液在木质纤维薄层上抽滤一定时间，得到复合膜；

8、s5:将抽滤所得的复合膜放入一定温度的烘箱中烘干一定时间，即可得到石墨烯与木质纤维相互交联的石墨烯复合膜。

9、进一步的技术方案，s1中原料木材为天然锻木或木头屑粉。

10、进一步的技术方案，s1中浸泡温度为180℃～300℃，浸泡时间为4～10h。

11、进一步的技术方案，s1中的碱性溶液由5～10gnaoh固体、2.5～10gna2so3固体和100～400ml去离子水配制而成，碱性溶液或者由50gkoh固体、2.5gna2so3固体和1000ml去离子水配制而成。

12、进一步的技术方案，s2中磁力搅拌机设置转速为500～1500r/min，连续搅拌时间为2～5天。

13、进一步的技术方案，s2中配制的木质纤维悬浮液浓度为5～25mg/ml。

14、进一步的技术方案，s3中石墨烯分散液为单层石墨烯分散液或多层石墨烯分散液。

15、进一步的技术方案，s3中电磁搅拌机设置转速为200～800r/min，连续搅拌1～3h，s3中石墨烯分散液配制浓度为1～10mg/ml。

16、进一步的技术方案，s4中使用循环水真空泵在0.01～0.1mpa压力下进行抽滤,采用基底膜为尼龙膜、聚四氟乙烯膜或聚偏氟乙烯膜，选取的木质纤维悬浮液量为1～25ml,在基底膜上进行抽滤时间为3～10min,选取的石墨烯分散液量为1～20ml,在木质纤维薄层上抽滤时间为10～40min。

17、进一步的技术方案，s5中抽滤所得的复合膜放入50～100℃的烘箱中烘干5～30min。

18、综上所述，本发明实施例与现有技术相比具有以下有益效果：

19、1、本发明以真空抽滤法为基础制备离子交换膜，利用真空抽滤法可以促进石墨烯均匀沉积在基底上，形成致密的薄膜，并且膜的厚度均一，表面光滑，对石墨烯的利用率较高，可以有效避免对原料的浪费，节约成本提高效率。同时真空抽滤成膜过程中，会持续施加给石墨片层一个竖向的取向力，使得石墨烯薄膜有较为明显的层间结构，能承受更高的拉伸力。再加入通过特殊处理的木质纤维以增加二元复合膜的机械强度，从而配合石墨烯的性能制备出机械性能和导电性能好的二元复合薄膜。

20、2、天然木材经过化学处理、机械法加工得到的有机絮状纤维物质，不溶于水、弱酸和碱性溶液，具有优良的柔韧性及分散性，抽滤后形成二维网状结构，可以增强系统的支撑力和耐久力，提高系统的稳定性、强度、密实度和均匀度。为提高复合薄膜的机械性能，同时不影响原有的电性能及离子交换能力，选择了具有较高耐酸耐碱性能的木质纤维作为增强组分，利用强碱浸泡法加高温处理从木材中得到尺寸均匀的木质纤维，在同一基体上先后对木质纤维悬浮液和石墨烯溶液进行真空抽滤，得到具有“叠层结构”的石墨烯-木质纤维复合薄膜，机械性能较原石墨烯薄膜提高了很多。

21、3、石墨烯膜卓越的电子导电性为电池内电子迁移提供了快速的传输通道；同时通过本发明的制备工艺，所制得的石墨烯复合膜一面导电，一面不导电，可以避免电极短路问题，能够应用于多种服役环境中。

22、为了更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

技术特征：

1.一种高强度及导电性能石墨烯复合膜的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高强度及导电性能石墨烯复合膜及其制备方法，其特征在于，s1中原料木材为天然锻木或木头屑粉。

3.根据权利要求1所述的高强度及导电性能石墨烯复合膜及其制备方法，其特征在于，s1中浸泡温度为180℃～300℃，浸泡时间为4～10h。

4.根据权利要求1所述的高强度及导电性能石墨烯复合膜及其制备方法，其特征在于，s1中的碱性溶液由5～10gnaoh固体、2.5～10gna2so3固体和100～400m l去离子水配制而成，碱性溶液或者由50gkoh固体、2.5gna2so3固体和1000ml去离子水配制而成。

5.根据权利要求1所述的高强度及导电性能石墨烯复合膜及其制备方法，其特征在于，s2中磁力搅拌机设置转速为500～1500r/min，连续搅拌时间为2～5天。

6.根据权利要求1所述的高强度及导电性能石墨烯复合膜及其制备方法，其特征在于，s2中配制的木质纤维悬浮液浓度为5～25mg/ml。

7.根据权利要求1所述的高强度及导电性能石墨烯复合膜及其制备方法，其特征在于，s3中石墨烯分散液为单层石墨烯分散液或多层石墨烯分散液。

8.根据权利要求1所述的高强度及导电性能石墨烯复合膜及其制备方法，其特征在于，s3中电磁搅拌机设置转速为200～800r/min，连续搅拌1～3h，s3中石墨烯分散液配制浓度为1～10mg/ml。

9.根据权利要求1所述的高强度及导电性能石墨烯复合膜及其制备方法，其特征在于，s4中使用循环水真空泵在0.01～0.1mpa压力下进行抽滤,采用基底膜为尼龙膜、聚四氟乙烯膜或聚偏氟乙烯膜，选取的木质纤维悬浮液量为1～25ml,在基底膜上进行抽滤时间为3～10min,选取的石墨烯分散液量为1～20ml,在木质纤维薄层上抽滤时间为10～40min。

10.根据权利要求1所述的高强度及导电性能石墨烯复合膜及其制备方法，其特征在于，s5中抽滤所得的复合膜放入50～100℃的烘箱中烘干5～30min。

技术总结
本发明适用于电解水制氢材料技术领域，提供了一种高强度及导电性能石墨烯复合膜的制备方法，首先将原料木材在碱性溶液中浸泡后经过水热反应去除木质素，之后将清洗完成的木材浸泡在去离子水中，放入磁力搅拌机，将其配制为一定浓度的木质纤维悬浮液，接着将石墨烯分散液配制为一定浓度的溶液，之后使用循环水真空泵在一定压力下进行抽滤，在基底膜上，先取一定量的木质纤维悬浮液进行抽滤一定时间，形成一层木质纤维薄层，然后取一定量的石墨烯水溶液在木质纤维薄层上抽滤一定时间，得到复合膜，之后将抽滤所得的复合膜放入一定温度的烘箱中烘干一定时间。本发明具有高抑制气体通过性、高导电性和优良机械机械性能的优点。

技术研发人员：郭瑞生,汤国中,康卿饴,张尹,陈泽森,薛淏誉,黄小磊
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/9