一種離子誘導(dǎo)組裝的石墨烯自支撐材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種離子誘導(dǎo)組裝的石墨烯自支撐材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一層由碳原子以Sp2雜化連接而成的二維碳原子層。它具有超高強(qiáng)度、極大的比表面積、超高的導(dǎo)熱率以及載流子迀移率等多種優(yōu)異的特質(zhì)，在電子器件、能量存儲(chǔ)和復(fù)合材料等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。如何將石墨烯的優(yōu)異性質(zhì)轉(zhuǎn)化為宏觀(guān)材料的優(yōu)異性質(zhì)是石墨烯研究的一個(gè)重要問(wèn)題。
[0003]構(gòu)筑石墨烯自支撐材料即將石墨烯片進(jìn)行搭接或堆疊，形成具有一定強(qiáng)度而可自支撐的材料。目前報(bào)道制備石墨烯自支撐材料的方法有抽濾法(Nature2007，448,457),溶劑熱溶膠凝膠法(ACS Nano 2010,4,4324)、金屬表面還原法(Sci Rep 2013，3)、聚合物擴(kuò)散交聯(lián)法(Nature Communicat1ns 2014,5,5254)。這些方法均存在耗時(shí)的問(wèn)題，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)以任意形狀的材料為模板制備復(fù)雜形狀的石墨烯材料。如何實(shí)現(xiàn)快速簡(jiǎn)便且可控地制備多種形貌的石墨烯自支撐材料是亟待解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種離子誘導(dǎo)組裝石墨烯自支撐材料及其制備方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種離子誘導(dǎo)組裝的石墨烯自支撐材料，該材料由石墨烯片構(gòu)成，具有三維結(jié)構(gòu)，所述三維結(jié)構(gòu)具有孔道或具有空腔。
[0006]進(jìn)一步地，所述三維結(jié)構(gòu)為管道結(jié)構(gòu)。
[0007]進(jìn)一步地，所述三維結(jié)構(gòu)為球殼狀結(jié)構(gòu)。
[0008]—種石墨烯自支撐材料的制備方法，所述方法包括以下步驟:
[0009]I)在容器中加入I重量份的氧化石墨烯、20-500重量份溶劑、0-1重量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的氨水，將其攪拌均勻后得到氧化石墨烯分散液；
[0010]2)取基底材料，在基底材料上吸附離子交聯(lián)劑溶液；
[0011 ] 3)將上述基底材料浸沒(méi)于氧化石墨烯分散液中，停留一定時(shí)間；
[0012 ] 4)提出粘附有氧化石墨稀凝I父的基底材料；
[0013]5)對(duì)上述凝膠烘干或凍干，去除基底材料，即得到氧化石墨烯自支撐材料；
[0014]6)對(duì)上述氧化石墨烯自支撐材料進(jìn)行化學(xué)還原或熱處理，得到石墨烯自支撐材料。
[0015]進(jìn)一步地，所述步驟I)的溶劑為水、N-N 二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、乙醇、乙二醇中的一種或多種按照任意比例混合的混合溶劑。
[0016]進(jìn)一步地，所述步驟2)采用的離子交聯(lián)劑為氯化鈣、氯化鐵、硫酸銅、氯化鎂、氯化鋇、硝酸鋇、硝酸鐵等，離子交聯(lián)劑溶液的濃度大于0.01M。
[0017]進(jìn)一步地，所述步驟3)停留時(shí)間為I秒至30分鐘。
[0018]進(jìn)一步地，所述步驟2)采用的基底材料的材質(zhì)包括木質(zhì)、塑料、橡膠、陶瓷、金屬等。
[0019]進(jìn)一步地，所述步驟2)采用的基底材料的材質(zhì)形狀包括一維、二維、三維、二維網(wǎng)狀、三維網(wǎng)狀等。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果如下:
[0021 ] I)原料采用氧化石墨烯，原料易得、成本低；
[0022]2)利用快速的離子擴(kuò)散對(duì)液相中的氧化石墨烯片進(jìn)行交聯(lián)成型；
[0023]3)石墨烯自支撐材料中離子的含量極低，與文獻(xiàn)報(bào)道的聚合物擴(kuò)散交聯(lián)法相比，對(duì)石墨稀材料的導(dǎo)電性影響更??；另一方面功能性尚子或電解質(zhì)的慘雜彳丁為能進(jìn)一步提尚石墨烯自支撐材料的導(dǎo)電性、強(qiáng)度和電磁屏蔽等性能。
[0024]4)通過(guò)調(diào)節(jié)交聯(lián)劑濃度，可簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)石墨烯自支撐材料厚度的控制，具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值；
[0025]5)可采用任意形狀和材質(zhì)為模板制備多種形狀和功能的石墨烯材料。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為氧化石墨烯膜的厚度可控制備。(&-(1)不同離子濃度0.1(&)，0.181(13)，
0.25M(c)，0.3M(d)CaCl2時(shí)氧化石墨烯膜的截面的掃描電子顯微鏡下圖片。標(biāo)尺為4微米。
[0027]圖2為濃度影響厚度的原理示意圖。
[0028]圖3為單位面積上凝膠增重折算成的GO膜厚度及SEM截面實(shí)測(cè)膜厚度與CaC12濃度的關(guān)系不意圖。
[0029]圖4為由離子誘導(dǎo)組裝法制備的空心纖維的掃描電鏡圖片。(b)纖維側(cè)面。(d-f)截面的放大圖片；
[0030]圖5為在氣球表面為模板的石墨烯碗。
【具體實(shí)施方式】
[0031 ] 一種離子誘導(dǎo)組裝石墨烯自支撐材料及其制備方法的步驟如下:
[0032]I)在容器中加入I重量份的氧化石墨烯、20-500重量份溶劑、0.1-1重量份25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)氨水，將其攪拌均勻后得到氧化石墨烯分散液；
[0033]2)在基底上吸附O-飽和濃度的離子交聯(lián)劑；
[0034]3)將上述基底浸沒(méi)于氧化石墨烯分散液中，停留I秒至30分鐘；
[0035]4)緩慢提出粘附有氧化石墨稀凝I父的基底；
[0036]5)對(duì)上述凝膠烘干或凍干，去除基底，即得到氧化石墨烯自支撐材料；
[0037]6)對(duì)上述材料進(jìn)行化學(xué)還原或熱還原，得到石墨稀自支撐材料。
[0038]下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述，本實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改變和調(diào)整，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0039]實(shí)施例1:
[0040]I)在容器中加入I重量份的氧化石墨烯、500重量份溶劑、0.1-1重量份25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水，將其攪拌均勻后得到氧化石墨烯分散液；[0041 ] 2)在銅絲上粘附0.05M的氯化鈣溶液；
[0042]3)將上述銅絲浸沒(méi)于氧化石墨烯分散液中，停留20秒；
[0043]4)緩慢提出粘附有氧化石墨烯凝膠的銅絲；
[0044]5)對(duì)上述凝膠烘干，用FeCl3溶液去除基底，即得到氧化石墨烯管狀纖維；
[0045]6)對(duì)上述材料用氫碘酸進(jìn)行還原，得到石墨烯管，如圖4所示。該石墨烯管可作為耐化學(xué)腐蝕、耐高溫的輸送管道。
[0046]實(shí)施例2:
[0047]I)在容器中加入I重量份的氧化石墨烯、500重量份溶劑、0.1-1重量份氨水，將其攪拌均勻后得到氧化石墨烯分散液；
[0048]2)在充氣的氣球上粘附0.05M的氯化鈣溶液；
[0049]3)將上述氣球浸沒(méi)于氧化石墨烯分散液中，停留20秒；
[0050]4)提出粘附有氧化石墨烯凝膠的氣球；
[0051]5)將上述凝膠烘干，將氣球放氣從而將其從氧化石墨烯材料上脫離，即得到氧化石墨烯碗狀容器；
[0052]6)對(duì)上述材料用氫碘酸進(jìn)行化學(xué)還原和3000攝氏度熱處理后，得到石墨烯碗狀容器。如圖5所示。
[0053]它可作為耐化學(xué)腐蝕、耐高溫容器，空氣中耐受溫度達(dá)到690攝氏度，氬氣氣氛中耐受溫度高于3000攝氏度，可代替石墨坩禍;其面上導(dǎo)熱率經(jīng)測(cè)量達(dá)1000W/(K m)，導(dǎo)電率為8，000S/cm，可作為電熱容器，用于對(duì)容器內(nèi)物體進(jìn)行快速加熱；該石墨烯碗狀容器具有優(yōu)秀的電磁屏蔽性能，100MHz-18GHz的電磁波的屏蔽效能為15-20dB。
[0054]實(shí)施例3:
[0055]I)在容器中加入I重量份的氧化石墨烯、500重量份溶劑、0.1-1重量份25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水，將其攪拌均勻后得到氧化石墨烯分散液；
[0056]2)以纖維素微孔濾膜作為基底，在其上吸附0.謂、0.181、0.251、0.31的氯化鈣溶液；
[0057]3)將上述基底浸沒(méi)于氧化石墨烯分散液中，停留20秒；
[0058]4)提出粘附有氧化石墨稀凝I父的基底；
[0059]5)對(duì)上述凝膠烘干，將基底剝離，即得到氧化石墨烯膜，膜厚度為1.Um;
[0060]6)對(duì)上述材料用氫碘酸進(jìn)行還原，得到石墨烯膜。
[0061 ] 如圖1和3所示，0.1M、0.18M、0.25M、0.3M的氯化鈣溶液所得到的石墨烯膜方塊電阻分別為1.1歐姆、0.62歐姆、0.5歐姆、0.43歐姆。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種離子誘導(dǎo)組裝的石墨烯自支撐材料，其特征在于，該材料由石墨烯片構(gòu)成，具有三維結(jié)構(gòu)，所述三維結(jié)構(gòu)具有孔道或具有空腔。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)為管道結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)為球殼狀結(jié)構(gòu)。4.一種權(quán)利要求1所述材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 1)在容器中加入I重量份的氧化石墨烯、20-500重量份溶劑、0-1重量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的氨水，將其攪拌均勻后得到氧化石墨烯分散液； 2)取基底材料，在基底材料上吸附離子交聯(lián)劑溶液； 3)將上述基底材料浸沒(méi)于氧化石墨烯分散液中，停留一定時(shí)間； 4)提出粘附有氧化石墨稀凝Jj父的基底材料； 5)對(duì)上述凝膠烘干或凍干，去除基底材料，即得到氧化石墨烯自支撐材料； 6)對(duì)上述氧化石墨烯自支撐材料進(jìn)行化學(xué)還原或熱處理，得到石墨烯自支撐材料。5.如權(quán)利要求4所述的一種離子誘導(dǎo)組裝的石墨烯自支撐材料及其制備方法，其特征在于:所述步驟I)的溶劑為水、N-N 二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、乙醇、乙二醇中的一種或多種按照任意比例混合的混合溶劑。6.如權(quán)利要求4所述的一種離子誘導(dǎo)組裝石墨烯自支撐材料及其制備方法，其特征在于:所述步驟2)采用的離子交聯(lián)劑為氯化鈣、氯化鐵、硫酸銅、氯化鎂、氯化鋇、硝酸鋇、硝酸鐵等，離子交聯(lián)劑溶液的濃度大于0.01M。7.如權(quán)利要求4所述的一種離子誘導(dǎo)組裝石墨烯自支撐材料及其制備方法，其特征在于:所述步驟3)停留時(shí)間為I秒至30分鐘。8.如權(quán)利要求4所述的一種離子誘導(dǎo)組裝石墨烯自支撐材料及其制備方法，其特征在于:所述步驟2)采用的基底材料的材質(zhì)包括木質(zhì)、塑料、橡膠、陶瓷、金屬等。9.如權(quán)利要求4所述的一種離子誘導(dǎo)組裝石墨烯自支撐材料及其制備方法，其特征在于:所述步驟2)采用的基底材料的材質(zhì)形狀包括一維、二維、三維、二維網(wǎng)狀、三維網(wǎng)狀等。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種離子誘導(dǎo)組裝石墨烯自支撐材料及其制備方法。它的制備方法的步驟如下：1)將氧化石墨烯、溶劑、氨水混合均勻后得到氧化石墨烯分散液；2)取基底，在基底上吸附一定濃度的離子交聯(lián)劑溶液；3)將上述基底浸沒(méi)于氧化石墨烯分散液中，停留一定時(shí)間；4)提出粘附有氧化石墨烯凝膠的基底；5)對(duì)上述凝膠烘干或凍干，去除基底，即得到氧化石墨烯自支撐材料；6)對(duì)上述材料進(jìn)行化學(xué)還原和熱處理，得到石墨烯自支撐材料。本發(fā)明簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)了石墨烯材料的快速制備、厚度控制、微觀(guān)結(jié)構(gòu)控制，并實(shí)現(xiàn)了以復(fù)雜形狀和多種材質(zhì)的基底為模板制備多種形態(tài)和功能的石墨烯材料。
【IPC分類(lèi)】C01B31/04
【公開(kāi)號(hào)】CN105645400
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】高超, 趙曉莉
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月8日
【申請(qǐng)日】2016年3月16日