一種石墨烯基雜化氣凝膠的製備方法與流程

2023-06-23 18:51:02 1

本發明涉及一種石墨烯基雜化氣凝膠的製備方法，屬於納米複合材料的製備技術。

背景技術：

石墨烯是碳原子以六角形密堆積形成的二維原子晶體，具有獨特的物理化學性質，在電子器件、能源環境和生物醫學等諸多領域展現出廣闊的應用前景。石墨烯的可控制備和組裝是其實際應用的基礎。氧化石墨烯是石墨烯的一種重要的衍生物，在氧化石墨烯的片層表面主要分布有羥基，羧基和環氧基這三種基團。目前的研究表明氧化石墨烯表面這三種基團的分布也有所區別，如羧基主要分布在氧化石墨烯的邊沿處，環氧基主要分布在其基面上，羥基則在整個片層表面隨機分布。以水溶性氧化石墨烯為前驅體，基於膠體和界面化學基本原理和技術策略，成功實現了石墨烯在不同尺度上的可控制備和組裝。將單層的石墨烯組裝成為三維的組裝體結構(包括石墨烯水凝膠，石墨烯氣凝膠)是實現其潛在應用的重要途徑之一。

三維石墨烯基氣凝膠因具有發達內連通孔道、低密度、高比表面積等特徵而廣泛應用於醫療、催化等行業結構，其製備方法也成為石墨烯研究領域的熱點問題。目前石墨烯基氣凝膠常見的製備方法主要有自組裝和模板引導法兩種，其中自組裝法裡主要有高濃度氧化石墨烯直接自組裝、水熱還原誘導自組裝、化學還原誘導自組裝以及交聯劑誘導自組裝。但是，目前製備的石墨烯基氣凝膠一般都需要高溫高壓或者強還原劑的加入，並且強度較低，從而制約其進一步應用。因此，開發一種簡單、溫和的石墨烯基雜化氣凝膠的製備方法具有重要價值和迫切需要。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種石墨烯基雜化氣凝膠的製備方法。本發明製備原料廉價、易得，製備過程溫和，簡單易行。

本發明提出的一種石墨烯基雜化氣凝膠的製備方法，包括以下步驟：

步驟一、配製濃度為2～8mgml-1的氧化石墨烯溶液，用細胞破碎儀超聲處理0.5h，，用氫氧化鈉調節溶液ph值至8.0；按氧化石墨烯與聚乙烯亞胺質量比4：1～1：4向氧化石墨烯溶液中加入分子量為600的聚乙烯亞胺，攪拌混合均勻，將上述混合液裝入一容器並密封，置於90℃油浴中，反應2～8h；反應結束後，水洗數次，冷凍乾燥24～48h，得到石墨烯基氣凝膠；

步驟二、配製濃度為10～50mmoll-1的矽酸鈉溶液，將矽酸鈉溶液加入到步驟一製得的石墨烯基氣凝膠，搖床震蕩15～120min，倒掉上清液，清洗數次，得到負載二氧化矽的石墨烯基雜化水凝膠，冷凍乾燥得到石墨烯基雜化氣凝膠。

本發明製備得到石墨烯基雜化氣凝膠具有發達的內連通的孔道結構，孔徑為2～80微米。

與現有技術相比，本發明提出的一種石墨烯基雜化氣凝膠的製備方法，製備原料廉價、易得，製備條件溫和，製備工藝簡單易行，通過改變製備過程中氧化石墨烯及聚乙烯亞胺的濃度可實現凝膠內部孔道結構的調控。

附圖說明

圖1為對比例1製備的石墨烯基氣凝膠掃描電鏡(sem)照片；

圖2為對比例2製備的石墨烯基氣凝膠能譜圖(sem)照片；

圖3為實施例1製備的石墨烯基雜化氣凝膠掃描電鏡(sem)照片；

圖4為實施例1製備的石墨烯基雜化氣凝膠能譜圖(eds)；

圖5為實施例2製備的石墨烯基雜化氣凝膠掃描電鏡(sem)照片；

圖6為實施例3製備的石墨烯基雜化氣凝膠掃描電鏡(sem)照片。

具體實施方式

本發明一種石墨烯基雜化氣凝膠的製備方法是，首先，利用聚乙烯亞胺與氧化石墨烯之間的靜電相互作用以及氫鍵作用在溫和條件下製備出石墨烯基氣凝膠。隨後利用聚乙烯亞胺誘導矽酸鈉仿生礦化在石墨烯表面負載無機氧化矽，得到具良好機械穩定性，孔道發達的石墨烯基雜化氣凝膠。

下面結合附圖和具體實施例對本發明技術方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發明進行解釋說明，並不用以限制本發明。

對比例1

將2ml，2mgml-1的氧化石墨烯溶液用細胞破碎儀超聲處理30分鐘，用氫氧化鈉調節溶液ph值至8.0。按質量比為1：1向氧化石墨烯溶液中加入分子量為600的聚乙烯亞胺(pei600)，攪拌混合均勻，將上述混合液裝入圓柱形玻璃瓶中，密封，置於90℃油浴中，反應6h。反應結束後，水洗數次，冷凍乾燥即得到石墨烯與聚乙烯亞胺的氣凝膠。所製得的石墨烯基氣凝膠為直徑為8mm，高為10mm圓柱體，圖1是該氣凝膠的sem圖，從圖中可以看出，氣凝膠具有發達的內聯通孔道結構，孔道結構比較規整，孔徑約為2～80微米。對比例2

將2ml，2mgml-1的氧化石墨烯溶液用細胞破碎儀超聲處理30分鐘，用氫氧化鈉調節溶液ph值至8.0。按質量比為5：1向氧化石墨烯溶液中加入精胺，攪拌混合均勻，得到氧化石墨烯與精胺混合均勻的溶液。然後將上述混合液裝入圓柱形玻璃瓶中，密封，置於90℃油浴中，反應6h。反應結束後，水洗數次，冷凍乾燥即得到石墨烯與精胺的雜化氣凝膠。所製得的石墨烯基雜化氣凝膠為直徑為7.2mm，高為8.8mm圓柱體，圖2是該氣凝膠的sem圖，從圖中可以看出，該氣凝膠也具有發達的內聯通孔道結構，但孔道呈無規則狀。

實施例1

步驟一、將2ml，2mgml-1的氧化石墨烯溶液用細胞破碎儀超聲處理30分鐘，用氫氧化鈉調節溶液ph值至8.0。按質量比為1：1向氧化石墨烯溶液中加入pei600，攪拌混合均勻，將上述混合液裝入圓柱形玻璃瓶中，密封，置於90℃油浴中，反應6h。反應結束後，水洗數次，得到石墨烯基雜化水凝膠；

步驟二、配製濃度為30mmoll-1的矽酸鈉溶液，加入到步驟一製得的石墨烯基雜化水凝膠，搖床震蕩15min，取出上清液，清洗數次，得到負載二氧化矽的石墨烯基雜化水凝膠，冷凍乾燥即得到石墨烯基雜化氣凝膠。所製得的石墨烯基雜化氣凝膠為直徑為8.0mm，高為10mm圓柱體。

圖3為實施例1製得的石墨烯基雜化氣凝膠的sem圖，圖4為實施例1製得的石墨烯基雜化氣凝膠能譜圖(eds)。與對比例1的石墨烯與聚乙烯亞胺的雜化氣凝膠相比，孔道結構沒有發生明顯變化，氧化矽納米顆粒均勻負載其表面以及孔道內部，矽元素含量約為1.12wt％.與對比例2的石墨烯與精胺的氣凝膠相比，孔道結構更為規整。

實施例2

本實施例與實施例1步驟基本相同，與其不同的是：氧化石墨烯與pei600的質量比由1：1變為4:1。所製得的石墨烯基雜化氣凝膠為直徑為6.5mm，高為7mm的圓柱體。圖5示出了實施例2製得的石墨烯基雜化氣凝膠的sem圖，與對比例1的石墨烯與聚乙烯亞胺的雜化氣凝膠相比，孔徑沒有明顯變化，只有少量納米顆粒負載其表面，矽元素含量也僅為0.37wt％。

實施例3

本實施例與實施例1步驟基本相同，與其不同的是：氧化石墨烯與pei600的質量比由1：1變為1:4。所製得的石墨烯基雜化氣凝膠為直徑為11mm，高為13mm的圓柱體。圖6示出了實施例3製得的石墨烯基雜化氣凝膠的sem圖，與對比例1的石墨烯與聚乙烯亞胺的雜化氣凝膠相比，孔徑發生明顯變化，沒有規則的孔道結構，只能看到氧化石墨烯片層的堆積，矽元素含量為1.86wt％。

綜上，通過上述實施例實驗及其對應的sem圖發現，通過改變製備過程中氧化石墨烯與聚乙烯亞胺的質量比可實現凝膠內部孔道結構的調控，其中，氧化石墨烯的比例越高形成的孔道結構越規則，孔徑也越小。而使用其他聚胺類與氧化石墨烯形成的氣凝膠孔道呈無規則狀。本發明方法可合成一種具有發達孔道結構及良好機械穩定性的石墨烯基雜化氣凝膠。