一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法

摘要

本发明涉及一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法，将改进的Hummers方法制备的氧化石墨加入蒸馏水中，得到氧化石墨分散液，超声分散，得到氧化石墨烯溶液，真空过滤，得到氧化石墨烯薄膜；将上述氧化石墨烯薄膜用氢碘酸溶液还原，洗涤，干燥，得到石墨烯薄膜；将上述石墨烯薄膜用红外激光照射，即得。本发明的制备方法简单，所得到的多孔石墨烯弹性泡沫具有连续的三维孔状结构、密度较低、优异的力学性能。

权利要求

1.一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法，包括：

(1)将改进的Hummers方法制备的氧化石墨加入蒸馏水中，得到氧化石墨分散液，超声分散，得到氧化石墨烯溶液，真空过滤，得到氧化石墨烯薄膜；

(2)将上述氧化石墨烯薄膜用氢碘酸溶液还原，洗涤，干燥，得到石墨烯薄膜；

(3)将上述石墨烯薄膜用红外激光照射，即得多孔石墨烯弹性泡沫。

2.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中氧化石墨分散液的浓度为1-10mg/mL。

3.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中超声分散时间为1-5h。

4.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中真空过滤具体为：氧化石墨烯溶液加入砂芯过滤漏斗中，使用混合纤维素滤膜真空过滤48-72h。

5.根据权利要求4所述的一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法，其特征在于：所述混合纤维素滤膜的孔径为0.22μm。

6.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中氢碘酸溶液的体积百分浓度为40-60％；还原时间为1-4h。

7.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中洗涤为去离子水洗涤2-5次；干燥为室温自然干燥。

8.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中红外激光的功率密度为8～16w/cm2，照射时间为5-60s。

说明书

一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于石墨烯泡沫的制备领域，特别涉及一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法。

背景技术

[0002] 自从2004年英国物理学家成功制备出石墨烯以来，其特殊的二维结构和优异的性能吸引了广大科研人员的关注。研究表明，石墨烯是由碳原子以SP2杂化组成的正六边形周期蜂窝点阵结构构成的单层片状结构的新材料，只有一个碳原子厚度的二维单层的石墨烯厚度约为0.35nm，单层的石墨烯具有高的透明度和导热率、坚硬、电导率高等特性。二维的石墨烯可以通过堆叠、卷绕、翘曲等形成三维的石墨、一维的碳纳米管、零维的富勒烯等。石墨烯的优异性能在纳电子器件、晶体管、传感和航空材料得到广泛的应用。

[0003] 石墨烯泡沫是具有较高比表面积和低密度的多孔纳米材料。石墨烯泡沫具有大量的孔道结构和较高孔隙率，具有优异的吸附性能。石墨烯泡沫材料有其性质特殊性，多孔石墨烯泡沫的应用得到广泛的研究。以具有导电性能的石墨烯泡沫作为骨架材料，在多孔结构中填充具有自修复性能的聚甲基丙烯酸甲酯材料，可以制备出具有自修复能力的石墨烯人造皮肤(Hou C,et al.Scientific reports,2013,3.)。通过对制备出的石墨烯薄膜的进行特殊的处理工序，使石墨烯薄膜具有一定的热电性能，可用于制备可穿戴器件来监测记录人类的生命体征(Hou C,et al.Adv.Mater.DOI:10.1002/adma.201401367)。此外，相关的利用石墨烯泡沫的孔洞结构和大的比表面积以及好的导电性能，制备石墨烯超级电容器(Deng W,et al.Applied Surface Science,2014,305:433-438.)等。

[0004] 目前，石墨烯泡沫的制备通常采用蒸汽还原法，通过在密闭反应釜能加热水合肼得到蒸汽，蒸汽进入石墨烯薄膜片层内，可以得到多空的石墨烯泡沫(Niu Z,et al.Adv.Mater.,2012，24:4144–4150.)。然而，这些方法得到石墨烯泡沫需要的条件苛刻，制备流程复杂，成本高。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法，该方法操作简单，制备方法快速；所制备的多孔石墨烯弹性泡沫具有优异的力学性能，能够多次压缩并能很好的保持其弹性模量，经过氢碘酸还原后的石墨烯薄膜具有亲油疏水性能，可以用来除去水中的油性物质。

[0006] 本发明的一种多孔石墨烯弹性泡沫的制备方法，包括：

[0007] (1)改进的Hummers方法制备的氧化石墨:用高锰酸钾和浓硫酸氧化500目的石墨粉，抽滤得到的滤饼置于60℃烘箱干燥24h，研磨得到氧化石墨粉。将改进的Hummers方法制备的氧化石墨加入蒸馏水中，得到氧化石墨分散液，超声分散，得到氧化石墨烯溶液，真空过滤，得到氧化石墨烯薄膜；

[0008] (2)将上述氧化石墨烯薄膜用氢碘酸溶液还原，洗涤，干燥，得到石墨烯薄膜；

[0009] (3)将上述石墨烯薄膜用红外激光照射，即得多孔石墨烯弹性泡沫。

[0010] 所述步骤(1)中氧化石墨分散液的浓度为1-10mg/mL。

[0011] 所述步骤(1)中超声分散时间为1-5h。

[0012] 所述步骤(1)中真空过滤具体为：氧化石墨烯溶液加入砂芯过滤漏斗中，使用混合纤维素滤膜真空过滤48-72h。

[0013] 所述混合纤维素滤膜的孔径为0.22μm。

[0014] 所述步骤(2)中氢碘酸溶液的体积百分浓度为40-60％；还原时间为1-4h。

[0015] 所述步骤(2)中洗涤为去离子水洗涤2-5次；干燥为室温自然干燥。

[0016] 所述步骤(3)中红外激光的功率密度为8～16w/cm2，照射时间为5-60s。

[0017] 本发明通过调节氧化石墨浓度和体积来制备不同厚度的多孔石墨烯弹性泡沫，调节用氢碘酸还原的时间和浓度及用激光照射的时间来控制多孔石墨烯弹性泡沫孔洞结构的形貌。

[0018] 本发明方法将氧化石墨分散液经过超声剥离得到氧化石墨烯溶液，通过对氧化石墨烯溶液真空抽滤，在水分抽离的过程中，氧化石墨烯之间自组装形成氧化石墨烯薄膜。然后用氢碘酸还原得到石墨烯薄膜，再通过激光还原得到多孔石墨烯弹性泡沫。

[0019] 本发明的制备方法简单，所得到的多孔石墨烯弹性泡沫具有连续的三维孔状结构、密度较低、优异的力学性能。此外，该多孔石墨烯弹性泡沫具有亲油性物质的性能。因此，制得的多孔石墨烯弹性泡沫在吸附、油水分离等有很大的应用前景。

[0020] 有益效果

[0021] (1)本发明的操作方法简单，制备过程方便快速；

[0022] (2)本发明所制备的多孔石墨烯弹性泡沫具有优异的力学性能，能够多次压缩并能很好的保持其弹性模量，经过氢碘酸还原后的石墨烯薄膜具有亲油疏水性能，可以用来除去水中的油性物质；

[0023] (3)本发明所制备的多孔石墨烯弹性泡沫具有较大的比表面积，内部孔洞结构类似菱形，有稳定的弹性、柔性和导电性，在可形变的电子元件和吸附污染物等方面具有广阔的应用前景。

附图说明

[0024] 图1实施例1制备多孔石墨烯弹性泡沫的XRD图谱；

[0025] 图2实施例1制备多孔石墨烯弹性泡沫的拉曼光谱图；

[0026] 图3实施例1制备多孔石墨烯弹性泡沫的氮气吸附脱附图及比表面积；

[0027] 图4实施例1制备多孔石墨烯弹性泡沫的应变-时间-应力曲线；

[0028] 图5实施例2制备多孔石墨烯弹性泡沫的SEM图；

[0029] 图6实施例3制备多孔石墨烯弹性泡沫的SEM图。

具体实施方式

[0030] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

[0031] 实施例1

[0032] 在室温下，称取用改进的Hummers方法制备的氧化石墨160mg，置于100mL的烧杯中，然后去离子水40mL配成浓度为4mg/mL的分散液，然后将烧杯放入超声池中处理2h将氧化石墨剥离为氧化石墨烯，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液40mL；用250mL的砂芯过滤装置来真空过滤，室温下，在砂芯漏斗的砂芯上加一层孔径为0.22μm混合纤维素滤膜，固定好装置并连接真空泵，将分散好的氧化石墨烯溶液倒入，真空抽滤48h得到氧化石墨烯薄膜；将上述吸附在一起的氧化石墨烯薄膜和混合纤维素滤膜取下放入直径为90mm的培养皿中，加入体积分数为50％的氢碘酸还原2h，用去离子水清洗3-5次，在室温下自然干燥即得到石墨烯薄膜；用功率密度为8W/cm2的红外激光照射石墨烯薄膜10s，即可得到弹性石墨烯泡沫。图1为本实施例制备的弹性石墨烯泡沫的XRD图谱，可以看出：石墨烯薄膜的峰值2θ＝
10.8°，对应着(002)面，而石墨烯泡沫的峰值2θ＝24.5°，得石墨烯泡沫的碳原子间距约为
0.46nm。图2为本实施例制备的石墨烯泡沫的拉曼光谱图，可以看出：图中明显的双峰(D峰和G峰)在氢碘酸还原和激光照射前后都发生变化，峰值之比ID/IG由还原前的1.08增大为还原后的1.43，再由激光照射后变为1.45，表明氢碘酸还原使石墨烯表面结构发生变化，还原度很大，激光照射获得多孔结构的同时有还原作用。图3为本实施例制备的石墨烯泡沫对氮气的吸附脱附曲线，得到石墨烯泡沫的比表面积SBET＝68.9m3g-1。图4是本实例制备的厚度为1.26mm的弹性石墨烯泡沫的应变-时间-应力曲线，从图上可以看出来，弹性气凝胶每次压缩60％时都能恢复到原来的体积，且重复多次后此现象能保持，可以看出，每次压缩时弹性凝胶的最大应力保持稳定的值，表明该弹性凝胶在多次形变后能保持其力学性能的稳定。

[0033] 实施例2

[0034] 在室温下，称取用改进的Hummers方法制备的氧化石墨120mg，置于100mL的烧杯中，然后去离子水40mL配成浓度为3mg/mL的分散液，然后将烧杯放入超声池中处理1h将氧化石墨剥离为氧化石墨烯，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液40mL；用250mL的砂芯过滤装置来真空过滤，室温下，在砂芯漏斗的砂芯上加一层孔径为0.22μm混合纤维素滤膜，固定好装置并连接真空泵，将分散好的氧化石墨烯溶液倒入，真空抽滤48h得到氧化石墨烯薄膜；将上述吸附在一起的氧化石墨烯薄膜和混合纤维素滤膜拿下来放入直径为90mm的培养皿中，加入体积分数为50％的氢碘酸还原2h，用去离子水清洗3-5次，在室温下自然干燥即得到石墨烯薄膜；用功率密度为8W/cm2的红外激光照射石墨烯薄膜10s，即可得到弹性石墨烯泡沫。对获得的弹性凝胶进行测试，发现其厚度相对实例1中的样品薄，测其拉曼光谱，根据ID/IG比值可以观察到还原程度基本与实例1中的样品保持一致。

[0035] 实施例3

[0036] 在室温下，称取用改进的Hummers方法制备的氧化石墨160mg，置于100mL的烧杯中，然后去离子水40mL配成浓度为4mg/mL的分散液，然后将烧杯放入超声池中处理2h将氧化石墨剥离为氧化石墨烯，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液40mL；用250mL的砂芯过滤装置来真空过滤，室温下，在砂芯漏斗的砂芯上加一层孔径为0.22μm混合纤维素滤膜，固定好装置并连接真空泵，将分散好的氧化石墨烯溶液倒入，真空抽滤48h得到氧化石墨烯薄膜；将上述吸附在一起的氧化石墨烯薄膜和混合纤维素滤膜拿下来放入直径为90mm的培养皿中，加入体积分数为50％的氢碘酸还原2h，用去离子水清洗3-5次，在室温下自然干燥即得到石墨烯薄膜；用功率密度为16W/cm2的红外激光照射石墨烯薄膜10s，即可得到弹性石墨烯泡沫。由实例3制备样品时使用的激光的功率密度为实例1的两倍，得到样品的尺寸厚度有所增大；测其拉曼光谱，可以从ID/IG看出，实例3中样品的还原程度与实例1中的样品还原程度基本一致。