一種製備三維石墨烯超輕泡沫的方法
2023-06-03 20:41:06 1
一種製備三維石墨烯超輕泡沫的方法
【專利摘要】一種製備三維石墨烯超輕泡沫的方法，它屬於新材料及其製備【技術領域】。本發明是利用Y射線能量高、穿透力強的特點，對氧化石墨和丙烯醯胺混合水溶液進行輻照處理，使溶液中氧化石墨發生插層接枝、剝離和交聯，進而「一步」製備出複合的三維石墨烯泡沫，直接將該產物進行冷凍乾燥和高溫熱處理，獲得三維石墨烯超輕泡沫。本發明同時解決了三維石墨烯超輕泡沫製備工藝複雜，毒性大，成本高等問題，具有製備工藝簡單，周期短，產率高，成本低，綠色環保等優點，可實現工業化批量生產。
【專利說明】一種製備三維石墨烯超輕泡沬的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於新材料及其製備【技術領域】，涉及一種快速、便捷製備三維石墨烯超輕 泡沫的方法，特別是運用Y射線"一步"製備複合的三維石墨烯泡沫的方法。
【背景技術】
[0002] 三維石墨烯超輕泡沫是由小尺寸石墨烯構築的三維結構碳質材料，具有豐富的孔 隙和開放的孔道結構，進一步擴展了石墨烯材料的應用空間。這種三維石墨烯超輕泡沫不 僅具有低密度、高孔隙率和高比表面積等特點，而且還具有石墨烯優異的熱學、力學、電學 性能，為石墨烯在導熱、複合材料增強、柔性導電、電磁屏蔽、吸附、催化及儲能材料等領域 的應用奠定了基礎。
[0003] 目前石墨烯泡沫的製備過程較為複雜，其中以水熱法和化學氣相沉積法（CVD法） 為主要製備方法。水熱法是利用水熱反應釜將氧化石墨烯和貴金屬鹽或吡咯等還原劑的混 合溶液通過水熱限域組裝製備，這種方法製備的泡沫主要依靠石墨烯片層間η-η堆疊和 氫鍵作用，強度較低，反應溫度高，且單片層石墨烯易於團聚，受剝離條件限制難以大批量 生產。而CVD法是通過甲烷等碳化合物高溫裂解，在銅、鎳等泡沫金屬基體內生長石墨烯， 然後利用腐蝕性強酸溶去金屬基體獲得三維石墨烯泡沫，但這種方法製備成本高，反應條 件苛刻。
[0004] 本發明是利用Y射線輻照氧化石墨和丙烯醯胺混合水溶液，形成三維網絡，並將 產物冷凍乾燥後高溫處理即獲得三維石墨烯超輕泡沫。這種方法利用了 Y射線能量高，穿 透力強的特點，有效提商二維石墨稀超輕泡沫的製備效率，同時避免有害物質生成，環保商 效。此外，該方法所採用的高能Y射線輻照極易誘導自由基的生成，促使聚合物單體在石 墨烯表面的接枝聚合併連接石墨烯片層，在泡沫中石墨烯的片層間形成牢固的共價鍵，顯 著提高石墨烯泡沫的結構穩定性和力學性能。
【發明內容】
[0005] 本發明提供了一種製備三維石墨烯超輕泡沫的方法。它是採用高能Y射線輻照 氧化石墨和丙烯醯胺混合水溶液，使溶液中產生的丙烯醯胺自由基與氧化石墨發生插層接 枝，進而使氧化石墨片層剝離和交聯，形成三維網絡，"一步"製備出複合的三維石墨烯泡 沫，經過冷凍乾燥和高溫處理後即可得到三維石墨烯超輕泡沫。
[0006] 本發明的技術方案通過以下步驟實現：
[0007] (1)將丙烯醯胺按一定比例加入到已標定濃度的氧化石墨水溶液中，配製成均勻 混合溶液密閉待用；
[0008] (2)將該混合溶液置於6tlCo的輻照源室內，在某一劑量率下進行Y射線輻照，達 到一定劑量後該混合溶液轉變為複合的三維石墨烯泡沫；
[0009] (3)將所得複合的三維石墨烯泡沫冷凍乾燥，在空氣或惰性氣體（氮氣、氬氣等） 氛圍下進行恆溫熱處理，即得到三維石墨烯超輕泡沫。
[0010] 上述步驟⑴中所用的氧化石墨水溶液濃度為〇. 1?80mg/mL，氧化石墨與丙烯醯 胺的質量比為1 : 0.5?20。
[0011] 上述步驟⑵中輻照劑量率為〇. I X IO3GyA?6. 0 X 103Gy/h，輻照劑量為 2. 0 X IO3Gy?L 0 X IO5Gy,輻照環境溫度為0?80°C。
[0012] 上述步驟（3)中升溫速率為2?25°C /min，熱處理溫度為400-800°C，恆溫熱處理 時間為20?180min。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合具體實施例對本發明Y射線輻照快速、便捷製備三維石墨烯超輕泡沫 的方法進行詳細說明。
[0014] 實施例1 :
[0015] 在300mL的玻璃瓶中配製濃度為L Omg/mL的氧化石墨水溶液200mL，加入2g丙 烯醯胺粉末，攪拌均勻後密閉待用。將玻璃瓶置於6tlCo的Y射線輻照室中，在輻照劑量率 為0. 5 X 103Gy/h，輻照劑量為3. O X IO4Gy的條件下對其進行γ輻照，輻照處理溫度為室溫， 輻照時間為60小時，混合溶液中產生多種自由基，相互反應後即形成複合的三維石墨烯泡 沫。將上述複合的三維石墨烯泡沫在-KTC下預冷凍12h，-50°C下真空冷凍乾燥48h，然後 在空氣氛圍下以l〇°C /min的速率升溫至500°C，在該溫度下恆溫30min後即得到三維石墨 烯超輕泡沫。
[0016] 實施例2:
[0017] 在5L的廣口瓶中配製濃度為30.0mg/ml的氧化石墨水溶液2L，加入400g丙烯 醯胺粉末，攪拌均勻後密閉待用。將廣口瓶置於 6tlCo的Y射線輻照室中，在輻照劑量率為 2.0X103Gy/h，輻照劑量為6.0X10 4Gy的條件下對其進行γ輻照，輻照環境溫度為40°C， 輻照時間為30小時，混合溶液在高能射線的作用下產生多種活性自由基，促使氧化石墨發 生插層接枝、剝離並交聯，形成複合的三維石墨烯泡沫。將該複合的三維石墨烯泡沫通過液 氮冷凍後，-50°C下真空冷凍乾燥，然後在20ml/min的氮氣流下按5°C /min的速率升溫至 500°C，在該溫度下恆溫80min後即得到三維石墨烯超輕泡沫。
[0018] 實施例3:
[0019] 在IL的玻璃瓶中配製濃度為50. Omg/ml的氧化石墨水溶液500mL，加入25g丙烯 醯胺粉末後攪拌均勻密閉待用。將玻璃瓶置於6°Co的Y射線輻照室中，在輻照劑量率為 5.0X10 3Gy/h，輻照劑量為LOXlO5Gy的條件下對其進行γ輻照，輻照環境溫度為28°C， 輻照時間為20小時，形成複合的三維石墨烯泡沫。將它預凍後，-50°C下真空冷凍乾燥，然 後在2ml/min的氦氣流下按20°C /min的速率升溫至700°C，在該溫度下恆溫120min後即 得到三維石墨烯超輕泡沫。
【權利要求】
1. 一種製備三維石墨烯超輕泡沫的方法，其特徵在於，包括以下步驟： (1) 將丙烯醯胺按一定比例加入到已標定濃度的氧化石墨水溶液中，配製成均勻混合 溶液密閉待用； (2) 將該混合溶液置於6tlCo的輻照源室內，在某一劑量率下進行γ射線輻照，達到一 定劑量後該混合溶液轉變為複合的三維石墨烯泡沫； (3) 將所得複合的三維石墨烯泡沫冷凍乾燥，在空氣或惰性氣體（氮氣、氬氣等）氛圍 下進行恆溫熱處理，即得到三維石墨烯超輕泡沫成品。
2. 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，氧化石墨水溶液濃度為0. 1?SOmg/ mL，氧化石墨與丙烯醯胺的質量比為1 : 0.5?20。
3. 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述的劑量率為0. IXlO3GyA? 6. 0 X IO3Gy/h，輻照劑量為2. 0 X IO3Gy?I. 0 X IO5Gy,輻照環境溫度為0?80°C。
4. 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，升溫速率為2?25°C /min，熱處理溫 度為400?800°C，恆溫熱處理時間為20?180min。
【文檔編號】C01B31/04GK104211057SQ201410468057
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月12日 優先權日:2014年9月12日
【發明者】陳磊, 朱婷, 吳凡, 徐志偉, 劉梁森, 周寶明, 石睫, 牛家嶸 申請人:天津工業大學