通孔石墨烯泡沫的制備方法
【專利摘要】一種多孔材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】的通孔石墨烯泡沫的制備方法，通過(guò)沸騰沉積法將石墨烯飽和溶液沉積在燒結(jié)有銅基板的金屬泡沫骨架上，去除金屬泡沫骨架后得到具有空心絲徑的石墨烯泡沫作為模板，再次通過(guò)沸騰沉積法將石墨烯飽和溶液沉積在模板中，最后去除模板并烘干即得通孔石墨烯泡沫。本發(fā)明降低了通孔石墨烯泡沫的生產(chǎn)成本，減少了對(duì)人體的傷害，促進(jìn)了石墨烯泡沫的推廣應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】通孔石墨烯泡沬的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種多孔材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體是一種通過(guò)紫銅加熱器實(shí)現(xiàn)的通孔石墨烯泡沫的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的二維晶體結(jié)構(gòu)。由于具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能，石墨烯在能源動(dòng)力、電子技術(shù)和化工催化領(lǐng)域有巨大的研究?jī)r(jià)值和廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。通過(guò)二維石墨烯制備的石墨烯泡沫除具有導(dǎo)熱系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)之外，其比表面積大和擾流能力強(qiáng)的突出優(yōu)勢(shì)使其在吸附制冷、催化反應(yīng)和電能儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有潛在的研究和應(yīng)用價(jià)值。
[0003]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN101831622A，
【公開(kāi)日】2010 -09 -15，公開(kāi)了一種石墨烯泡沫及其制備方法。該技術(shù)步驟包括:1)將金屬泡沫材料放進(jìn)真空管式爐內(nèi)，并在非氧化性氣氛下進(jìn)行煅燒；2)采用化學(xué)氣相沉積法，在煅燒后的金屬泡沫材料上沉積石墨烯；3)將得到的石墨烯修飾的金屬泡沫材料中的泡沫金屬除去；然后將得到的泡沫材料依次用去離子水、乙醇、乙醚清洗，取出烘干，得到所述石墨烯泡沫。該石墨烯泡沫材料為三維空心多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)壁為石墨烯。但是通過(guò)該技術(shù)得到的石墨烯泡沫的絲徑為空心結(jié)構(gòu)，有效導(dǎo)熱系數(shù)低，而且在沸騰換熱時(shí)，若工質(zhì)中有固體顆粒，這些固體顆粒進(jìn)入絲徑內(nèi)部，附著在內(nèi)壁上，使其熱物性發(fā)生變化，從而改變了該類石墨烯泡沫的換熱性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種通孔石墨烯泡沫的制備方法，以金屬泡沫作為基礎(chǔ)骨架制成石墨烯泡沫模板，進(jìn)而得到通孔石墨烯泡沫，工藝方法簡(jiǎn)便，降低了對(duì)環(huán)境的污染和毒性。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明首先通過(guò)沸騰沉積法將石墨烯飽和溶液沉積在燒結(jié)有銅基板的金屬泡沫骨架上，去除金屬泡沫骨架后得到具有空心絲徑的石墨烯泡沫作為模板，再次通過(guò)沸騰沉積法將石墨烯顆粒沉積在模板中，最后并烘干即得通孔石墨烯泡沫。
[0006]所述的燒結(jié)有銅基板的金屬泡沫骨架焊接于沸騰加熱器上以實(shí)現(xiàn)熱流密度加熱，其中的焊接優(yōu)選通過(guò)無(wú)鉛焊錫實(shí)現(xiàn)；具體步驟為:先打開(kāi)電源使紫銅加熱器的表面溫度至180°c，將無(wú)鉛焊錫放至紫銅加熱器表面熔化，然后將金屬泡沫骨架試件的銅基板輕輕壓到紫銅加熱器表面上，關(guān)掉電源，自然冷卻至室溫。這樣，金屬泡沫骨架就被焊接至紫銅加熱器上，并大大減小了加熱面和金屬泡沫骨架銅基板之間的換熱熱阻，便于熱量的迅速傳遞。
[0007]所述的金屬泡沫骨架通過(guò)熔模鑄造方式制備得到，該金屬泡沫骨架優(yōu)選經(jīng)砂紙打磨以增加絲徑的粗糙度，便于石墨烯粉末附著在絲徑上。
[0008]所述的金屬泡沫骨架的材質(zhì)為鋁、鐵、鎳和鐵鎳合金。
[0009]所述的沸騰沉積法是指:通過(guò)加熱石墨烯飽和溶液，使石墨烯沉積在金屬泡沫骨架上。
[0010]所述的加熱是指:通過(guò)紫銅加熱器加熱石墨烯飽和溶液，使其保持在沸騰狀態(tài)，然后在熱流密度達(dá)到1.5X 16W.m_2的環(huán)境下持續(xù)加熱金屬泡沫骨架10~15個(gè)小時(shí)。
[0011]所述的去除是指:用強(qiáng)酸去除金屬泡沫骨架，得到具有空心絲徑的石墨烯泡沫。
[0012]所述的強(qiáng)酸是指:37% wt.的濃鹽酸。
[0013]所述的石墨烯飽和溶液的質(zhì)量濃度范圍為lmg/mL~5mg/mL,其中的石墨烯粉末的直徑為0.5~3μπι，層數(shù)為I~10層；該飽和溶液具體通過(guò)以下方式制備得到:將石墨烯粉末倒入去離子水中并加入分散劑，然后通過(guò)使用超聲波攪拌器制備成所需濃度的石墨烯飽和溶液。
[0014]所述的紫銅加熱器在制備結(jié)束后通過(guò)焊接去除，具體步驟為:將石墨烯溶液倒出，開(kāi)啟紫銅加熱器，使其上表面溫度升高至焊錫熔點(diǎn)，將帶有銅基板的石墨烯泡沫取下，并放至氬氣保護(hù)下的加熱爐內(nèi)加熱烘干，即可得到所需的通孔石墨烯泡沫。
[0015]本發(fā)明涉及上述方法制備得到的通孔石墨烯泡沫，該泡沫的孔密度范圍為5ΡΡΙ~20ΡΡΙ，孔隙率范圍為0.88~0.98。
技術(shù)效果
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比 ，本發(fā)明通過(guò)高熱流密度加熱石墨烯溶液保持飽和沸騰狀態(tài)沉積石墨烯的方法制備梯密度金屬泡沫骨架，這種物理制備方法減少了對(duì)人體的傷害，降低了生產(chǎn)成本，促進(jìn)了通孔石墨烯泡沫的推廣應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備得到的通孔石墨烯泡沫圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0019]本實(shí)施例通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)均勻石墨烯泡沫的制備:
[0020]第一步、通過(guò)熔模鑄造法制備孔密度為5ΡΡΙ、孔隙率為0.9的結(jié)構(gòu)均勻的通孔鎳泡沫。
[0021]第二步、用細(xì)砂紙打磨鎳泡沫的絲徑，增加其粗糙度。
[0022]第三步、打開(kāi)紫銅加熱器，使其加熱表面的溫度上升到至無(wú)鉛焊錫的熔點(diǎn)(180°C )，然后熔化無(wú)鉛焊錫至紫銅加熱器表面，接著將相同尺寸的孔密度為5PP1、孔隙率為0.9通孔鎳泡沫壓到紫銅加熱器表面上，關(guān)掉紫銅加熱器電源，冷卻，鎳泡沫被焊接至紫銅加熱器上。
[0023]第四步、將直徑為2μπι，層數(shù)為5層的石墨烯粉末顆粒倒入去離子水中，然后加入分散劑，使用超聲波攪拌器制備質(zhì)量濃度為3mg/mL的石墨烯溶液，最后將石墨烯溶液倒入內(nèi)置帶有紫銅加熱器的鎳泡沫的容器中，使石墨烯溶液的液位超過(guò)鎳泡沫表面5cm。
[0024]第五步、打開(kāi)紫銅加熱器，使上表面熱流密度達(dá)到1.5 X 16W.m-2，持續(xù)加熱12個(gè)小時(shí)，鎳泡沫纖維骨架上出現(xiàn)石墨烯沉積層，然后關(guān)掉電源。
[0025]第五步、將石墨烯溶液從沸騰容器中倒出，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%的濃鹽酸溶解鎳泡沫。溶解后用去離子水清洗絲徑為空心的石墨烯泡沫。
[0026]第六步、重復(fù)第四步和第五步。
[0027]第七步、將石墨烯溶液倒出，開(kāi)啟紫銅加熱器，使其上表面溫度升高至焊錫熔點(diǎn)，將帶有銅基板的石墨烯泡沫取下，并放至氬氣保護(hù)下的加熱爐內(nèi)加熱烘干，即可得到如圖1所示的孔密度為5ΡΡΙ、孔隙率為0.88的通孔石墨烯泡沫。
實(shí)施例2
[0028]本實(shí)施例通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)梯密度石墨烯泡沫的制備:
[0029]第一步、通過(guò)分層燒結(jié)法制備孔隙率為0.9、孔密度從5ΡΡΙ -10ΡΡΙ -20ΡΡΙ的梯密度通孔鋁泡沫。
[0030]第二步、用細(xì)砂紙打磨鋁泡沫的絲徑，增加其粗糙度。
[0031]第三步、打開(kāi)紫銅加熱器，使其加熱表面的溫度上升到至無(wú)鉛焊錫的熔點(diǎn)(180°c )，然后熔化無(wú)鉛焊錫至紫銅加熱器表面，接著將相同尺寸的孔隙率為0.9、孔密度從5ΡΡΙ -10ΡΡΙ -20ΡΡΙ的梯密度通孔鋁泡沫壓到紫銅加熱器表面上，關(guān)掉紫銅加熱器電源，冷卻，鎳泡沫被焊接至紫銅加熱器上。
[0032]第四步、將直徑為3μπι，層數(shù)為2層的石墨烯粉末顆粒倒入去離子水中，然后加入分散劑，使用超聲波攪拌器制備質(zhì)量濃度為lmg/mL的石墨烯溶液，最后將石墨烯溶液倒入內(nèi)置帶有紫銅加熱器的鎳泡沫的容器中并使石墨烯溶液的液位超過(guò)鎳泡沫表面5cm。
[0033]第五步、打開(kāi)紫銅加熱器，使上表面熱流密度達(dá)到1.5 X 16W.m-2，持續(xù)加熱15個(gè)小時(shí)，梯密度鋁泡沫纖維骨架上出現(xiàn)石墨烯沉積層，然后關(guān)掉電源。
[0034]第五步、將石墨烯溶液從沸騰容器中倒出，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%的濃鹽酸溶解鋁泡沫。溶解后用去離子水清洗絲徑為空心的石墨烯泡沫。
[0035]第六步、重復(fù)第四步和第五步。
[0036]第七步、將石墨烯溶液倒出，開(kāi)啟紫銅加熱器，使其上表面溫度升高至焊錫熔點(diǎn)，將帶有銅基板的石墨烯泡沫取下，并放至氬氣保護(hù)下的加熱爐內(nèi)加熱烘干，即可得到所需的孔隙率為0.88、孔密度從5ΡΡΙ - 10ΡΡΙ - 20ΡΡΙ的梯密度通孔石墨烯泡沫。
【權(quán)利要求】
1.一種通孔石墨烯泡沫的制備方法，其特征在于，首先通過(guò)沸騰沉積法將石墨烯飽和溶液沉積在燒結(jié)有銅基板的金屬泡沫骨架上，去除金屬泡沫骨架后得到具有空心絲徑的石墨烯泡沫作為模板，再次通過(guò)沸騰沉積法將石墨烯飽和溶液沉積在模板中，最后去除模板并烘干即得通孔石墨烯泡沫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的燒結(jié)有銅基板的金屬泡沫骨架焊接于沸騰加熱器上以實(shí)現(xiàn)熱流密度加熱，其中的焊接通過(guò)無(wú)鉛焊錫實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的燒結(jié)有銅基板的金屬泡沫骨架通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn):先打開(kāi)電源使紫銅加熱器的表面溫度至180°C，將無(wú)鉛焊錫放至紫銅加熱器表面熔化，然后將金屬泡沫骨架試件的銅基板輕輕壓到紫銅加熱器表面上，關(guān)掉電源，自然冷卻至室溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的金屬泡沫骨架通過(guò)熔模鑄造方式制備得到，該金屬泡沫骨架經(jīng)砂紙打磨以增加絲徑的粗糙度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征是，所述的金屬泡沫骨架具有5PP1-1OPP1- 20PPI 的梯密度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的沸騰沉積法是指:通過(guò)加熱石墨烯飽和溶液維持在沸騰狀態(tài)，使石墨烯沉積在金屬泡沫骨架上； 所述的加熱是指:通過(guò)紫銅加熱器加熱石墨烯溶液至飽和沸騰狀態(tài)，然后熱流密度達(dá)到1.5X 16W.m-2的環(huán)境下持續(xù)加熱金屬泡沫骨架10~15個(gè)小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征是，所述的沉積是指:將石墨烯溶液倒入內(nèi)置帶有紫銅加熱器的鎳泡沫的容器中并使石墨烯溶液的液位超過(guò)鎳泡沫表面5cm ;然后打開(kāi)紫銅加熱器，使上表面熱流密度達(dá)到1.5 X 16W.m-2，持續(xù)加熱15個(gè)小時(shí)，使得金屬泡沫骨架上出現(xiàn)石墨烯沉積層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的石墨烯飽和溶液的質(zhì)量濃度范圍為lmg/mL~5mg/mL,其中的石墨烯粉末的直徑為0.5~3 μ m,層數(shù)為I~10層。
9.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述方法制備得到的通孔石墨烯泡沫，其特征在于，該泡沫的孔密度范圍為5PPI~20PPI，孔隙率范圍為0.88~0.98。
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK104176731SQ201410401574
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】徐治國(guó), 王美琴 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)