一種石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠及其製備方法

2023-11-08 06:45:12

專利名稱：一種石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠及其製備方法
技術領域：
本發明涉及ー種石墨烯-碳納米管複合全碳超輕弾性氣凝膠及其製備方法。
背景技術：
石墨烯(Graphene)是碳原子排列構成的單層ニ維晶體,近年來引起了學術界和エ業界的廣泛關注。這種材料具有已知材料最高的強度(Science，2008, 321, 385-388)，優異的導電性和導熱性。以天然石墨為原料，石墨烯的批量生產可以通過化 學氧化-還原法來實現(Tung, V. C·，et al. Nature Nanotechnol. , 2009, 4, 25 - 29)。通過化學還原或熱還原石墨烯中間體氧化石墨烯，可以恢復石墨烯的結構以及其良好的性能，而且所製備的還原石墨烯具有過程簡單，價格低廉等優點。高碳和全碳氣凝膠材料由於其低密度、多孔、高比表面積等特性，在航空航天、能源、エ業催化、環保等多方面有廣泛用。目前高碳和全碳的超輕彈性氣凝膠(低於10 mg/mL)主要有以下幾種純碳納米管氣凝膠(Cao AY, etal. Science, 2005, 310, 1307-1310)、填充高分子的納米管氣凝膠(Mateusz, B. B. , etal. Adv. Mater. , 2007, 19, 661-664)、填充高分子的石墨烯氣凝膠(Chen, ZP, et al.Nature materials, 2011, 10, 424-428)。這些報導表明，純碳納米管氣凝膠必須採用陣列式碳納米管為原料，難以規模化生產；以純石墨烯或氧化石墨烯為原料，必須填充高分子才能讓材料具有一定的弾性，但高分子的加入會影響材料的導電導熱等性能。另外，採用納米氧化鎳可以製備超輕氣凝膠，但材料的導電導熱等性能不突出(Schaedler, T. A. , etal. Science, 2011, 334, 962-965)。所以，如何簡便方便地製備全碳氣凝膠仍然是ー個挑戰。此外，將石墨烯獨特的ニ維拓撲結構和碳納米管的弾性力學特性結合起來製備複合全碳超輕彈性氣凝膠還從未有研究涉及。本發明用高分散性的氧化石墨烯與碳納米管複合共組裝，製備全碳超輕彈性氣凝膠，方法簡便。本發明開發的全新石墨烯基複合全碳彈性氣凝膠材料，在超輕熱導電導材料、阻尼材料、超級電容器、鋰離子電池、催化、環保領域有著廣泛的應用前景。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供ー種石墨烯-碳納米管複合全碳超輕弾性氣凝膠及其製備方法。石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠是由石墨烯搭建成大孔結構，碳納米管吸附於石墨烯表面作弾性支撐單元，密度為O. 5^350 mg/cm3,孔徑為50納米飛00微米，可壓縮率為30 80%，彈性在-196°C 1000°C的溫度範圍有效，導電率大於100S/m。石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠製備方法包括以下步驟
(1)將I重量份的氧化石墨烯分散於1(Γ4000重量份的水中形成氧化石墨烯分散液；
(2)將I重量份碳納米管分散於5 4000重量份的氧化石墨烯分散液中，得到氧化石墨烯-碳納米管分散液；(3)將氧化石墨烯-碳納米管分散液進行冷凍乾燥或超臨界乾燥，得到氧化石墨烯-碳納米管複合氣凝膠；
(4)將氧化石墨烯-碳納米管複合氣凝膠採用化學還原法還原或高溫熱還原法還原，得到石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠。所述的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管或羧化碳納米管中的ー種或多種。所述的化學還原法採用的還原劑為水合肼、硼氫化鈉、葡萄糖、抗壞血酸鈉、こニ醇、ニこニ醇、氫溴酸、氫碘酸或醋酸中的ー種或多種；還原時間為O. 5^24小時，還原溫度為 10 100oC。所述的高溫熱還原法的還原溫度為20(Tl200°C，還原時間為O. 5 24小吋。 本發明與現有技術相比具有的有益效果
1、採用氧化石墨烯為原料製備石墨烯-碳納米管複合全碳超輕弾性氣凝膠，原料易
得;
2、製備過程簡單方便；
3、製得的石墨烯-碳納米管複合全碳超輕弾性氣凝膠具有以石墨烯搭建大孔結構，碳納米管吸附於其表面做支撐的三維網絡複合結構；
4、製得的石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠有很好的弾性、極低的密度同時保持碳材料的優異的導電導熱性能。
具體實施例方式石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠是由石墨烯搭建成大孔結構，碳納米管吸附於石墨烯表面作弾性支撐單元，密度為O. 5^350 mg/cm3,孔徑為50納米飛00微米，可壓縮率為30 80%，彈性在-196°C 1000°C的溫度範圍有效，導電率大於100S/m。石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠製備方法包括以下步驟
(1)將I重量份的氧化石墨烯分散於1(Γ4000重量份的水中形成氧化石墨烯分散液；
(2)將I重量份碳納米管分散於5 4000重量份的氧化石墨烯分散液中，得到氧化石墨烯-碳納米管分散液；
(3)將氧化石墨烯-碳納米管分散液進行冷凍乾燥或超臨界乾燥，得到氧化石墨烯-碳納米管複合氣凝膠；
(4)將氧化石墨烯-碳納米管複合氣凝膠採用化學還原法還原或高溫熱還原法還原，得到石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠。所述的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管或羧化碳納米管中的ー種或多種。所述的化學還原法採用的還原劑為水合肼、硼氫化鈉、葡萄糖、抗壞血酸鈉、こニ醇、ニこニ醇、氫溴酸、氫碘酸或醋酸中的ー種或多種；還原時間為O. 5^24小時，還原溫度為 10 100oC。所述的高溫熱還原法的還原溫度為20(Tl20(TC，還原時間為O. 5 24小吋。下面通過實施例對本發明進行具體描述，本實施例只用於對本發明做進ー步的說明，不能理解為對本發明保護範圍的限制，本領域的技術人員根據上述發明的內容做出一些非本質的改變和調整，均屬於本發明的保護範圍。實施例I :
步驟(a):將I重量份的氧化石墨烯分散於4000重量份的水中，攪拌2小時，得到氧化石墨烯分散液；
步驟(b):將I重量份羧化多壁碳納米管分散於4000重量份的步驟a所得到的氧化石墨烯分散液中，攪拌10小時，得到氧化石墨烯-多壁碳納米管複合溶液；
步驟(c)取步驟b所得的氧化石墨烯-多壁碳納米管複合溶液於-100°C冷凍成型，並冷凍乾燥得到成型的氧化石墨烯-碳納米管複合氣凝膠；
步驟(d):將步驟c中所得的氧化石墨烯-碳納米管複合氣凝膠氣凝膠置於還原劑水合肼(濃度I %)中在80°C還原lh，乾燥後得到石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠。
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本方法得到的石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠，由石墨烯搭建成大孔結構，碳納米管吸附於石墨烯表面作支撐。氣凝膠密度為O. 5 mg/cm3，可壓縮率大於30%，彈性溫度範圍為-196°C 1000°C，導電率大於100S/m。實施例2:
步驟(a):將Ig的氧化石墨烯產物分散於200g的水中攪拌得到氧化石墨分散液；
步驟(b):將Ig羧化單壁碳納米管溶於200g的步驟a中的氧化石墨烯分散液，攪拌混合得到石墨烯-單壁碳納米管溶液；
步驟(c):取步驟(b)所得的石墨烯-單壁碳納米管溶液在-100°C下冷凍成型，並冷凍乾燥得到氧化石墨烯-單壁碳納米管複合氣凝膠；
步驟(d):將步驟(c)中所得的氧化石墨烯-單壁碳納米管複合氣凝膠置於氫碘酸中80°C還原10h，得到具有石墨烯-單壁碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠。本方法得到的石墨烯-碳納米管複合全碳超輕弾性氣凝膠，密度為12 mg/cm3,可壓縮率大於50%，彈性溫度範圍為-196°C 1000°C，導電率大於100S/m。實施例3
步驟(a):將Ig的氧化石墨烯產物分散於IOg的水中，攪拌得到氧化石墨烯分散液；步驟(b):將Ig羧化多壁碳納米管溶於5 g步驟a所得到的氧化石墨烯分散液中，攪拌混合得到氧化石墨烯-多壁碳納米管溶液；
步驟(c):取步驟(b)所得的氧化石墨烯-多壁碳納米管溶液，在-50°C下冷凍成型並臨界乾燥得到氧化石墨烯-多壁碳納米管氣凝膠；
步驟(d ):將步驟(c)中所得的氧化石墨烯-多壁碳納米管氣凝膠置於1000°C下高溫處理lh，得到具有石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠。本方法得到的石墨烯-碳納米管複合全碳超輕弾性氣凝膠，密度為350 mg/cm3，可壓縮率大於80%，彈性溫度範圍為-196°C 1000°C，導電率大於100S/m。上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.ー種石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠，其特徵在幹，由石墨烯搭建成大孔結構，碳納米管吸附於石墨烯表面作弾性支撐單元，密度為O. 5 350 mg/cm3,孔徑為50納米 500微米，可壓縮率為30 80%，彈性在-196°C 1000°C的溫度範圍有效，導電率大於100S/m。
2.—種石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠製備方法，其特徵在於，包括以下步驟 (1)將I重量份的氧化石墨烯分散於1(Γ4000重量份的水中形成氧化石墨烯分散液； (2)將I重量份碳納米管分散於5 4000重量份的氧化石墨烯分散液中，得到氧化石墨烯-碳納米管分散液； (3)將氧化石墨烯-碳納米管分散液進行冷凍乾燥或超臨界乾燥，得到氧化石墨烯-碳納米管複合氣凝膠； (4)將氧化石墨烯-碳納米管複合氣凝膠採用化學還原法還原或高溫熱還原法還原，得到石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠。
3.根據權利要求I所述ー種石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠製備方法，其特徵在於，所述的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管或羧化碳納米管中的ー種或多種。
4.根據權利要求I所述ー種石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠製備方法，其特徵在於，所述的化學還原法採用的還原劑為水合肼、硼氫化鈉、葡萄糖、抗壞血酸鈉、こニ醇、ニこニ醇、氫溴酸、氫碘酸或醋酸中的ー種或多種；還原時間為O. 5^24小時，還原溫度為 10 100oC。
5.根據權利要求I所述ー種石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠製備方法，其特徵在於，所述的高溫熱還原法的還原溫度為20(Tl20(TC，還原時間為O. 5^24小時。
全文摘要
本發明公開了一種石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠及其製備方法。它包括以下步驟(1)將1重量份的氧化石墨烯分散於10~4000重量份的水中形成氧化石墨烯分散液；(2)將1重量份碳納米管分散於5~4000重量份的氧化石墨烯分散液中，得到氧化石墨烯-碳納米管分散液；(3)將氧化石墨烯-碳納米管分散液進行冷凍乾燥或超臨界乾燥，得到氧化石墨烯-碳納米管複合氣凝膠；(4)將氧化石墨烯-碳納米管複合氣凝膠採用化學還原法還原或高溫熱還原法還原，得到石墨烯-碳納米管複合全碳超輕彈性氣凝膠。本發明的工藝簡單，過程綠色環保，所得到的全碳超輕氣凝膠具有低密度、高導電率、高比表面積、彈性溫度範圍廣等優點。
文檔編號B82Y30/00GK102674315SQ20121012331
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月25日 優先權日2012年4月25日
發明者孫海燕, 許震, 高超 申請人:浙江大學