一种溶液自然晾干制备三维氧化石墨烯泡沫材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种溶液自然晾干制备三维氧化石墨烯泡沫材料的方法，属于石墨烯基三维材料制备技术领域。所述方法主要是对含有表面活性剂的高浓度氧化石墨烯溶液进行搅拌发泡，然后涂覆在基底上直接自然晾干即可得到三维氧化石墨烯泡沫材料。本发明专利技术所述方法简单易操作，成本低，环境友好，可原位成型制备，适于工业化大规模连续生产三维氧化石墨烯泡沫材料；所制备的三维氧化石墨烯泡沫材料由大量的氧化石墨烯不规则中空微球相互连接而成，呈现闭孔结构，材料密度小，可以作为前驱体用于石墨烯基三维泡沫材料的制备。

Method for preparing three-dimensional graphene oxide foam material by natural air drying of solution

The invention relates to a method for preparing a three-dimensional graphene oxide foam material by natural air drying, and belongs to the technical field of preparing graphene based three-dimensional materials. The method is mainly to agitation and foaming of high concentration graphene oxide solution containing surfactant, and then coating directly on the substrate to dry directly to obtain three-dimensional graphene oxide foam material. The method of the invention is simple and easy to operate, low in cost and friendly in environment, and can be prepared in situ, and is suitable for industrial large-scale continuous production of three-dimensional graphene oxide foam materials. The prepared three-dimensional graphene oxide foam material is interconnected by a large number of irregular graphene oxide hollow microspheres, and has a closed pore structure, and the material density is small, so it can be used as a precursor for graphite. Preparation of alkene based 3D foam materials.

【技术实现步骤摘要】
一种溶液自然晾干制备三维氧化石墨烯泡沫材料的方法
本专利技术具体涉及一种将发泡的氧化石墨烯粘稠溶液直接自然晾干制备三维氧化石墨烯泡沫材料的方法，属于石墨烯基三维材料制备

技术介绍
氧化石墨烯是石墨通过氧化剥离法制备石墨烯的中间产物，其表面含有丰富的含氧基团，在水溶液中可以稳定地单层分散，具有石墨烯无法比拟的化学反应活性和溶液加工性能，在石墨烯基材料的制备、功能化及应用方面具有明显的优势。三维氧化石墨烯泡沫材料是由大量的二维氧化石墨烯纳米片组装而成的具有三维多孔结构的宏观轻质泡沫材料。三维氧化石墨烯泡沫材料作为前驱体可以还原转变为三维石墨烯泡沫材料。石墨烯基多功能三维泡沫材料在能源存储和能量转换，环境治理，传感器，电磁屏蔽，轻质阻燃等领域已展现出巨大的应用前景。目前，三维氧化石墨烯泡沫材料主要是通过将氧化石墨烯溶液/凝胶直接超临界干燥或冷冻干燥制备得到，例如中国专利CN102239114B和CN106744896A。然而，冷冻干燥技术需要持续提供低温且低压的密闭环境，超临界干燥需要持续保持高压或高温的密闭环境，此两种干燥技术都存在能耗大、干燥周期长、不易操作以及不适合大规模工业生产等缺点。并且，两种干燥技术都不能在具体的应用场所原位地制备三维氧化石墨烯材料，限制了其应用的范围。虽然后续发展了石墨烯水凝胶常压干燥或自然干燥的方法制备三维石墨烯泡沫材料，例如中国专利CN104925787B和CN106006615B，但是石墨烯水凝胶的制备仍然要使用高温加热和低温冷冻技术，同样存在能耗大、制备周期长且不能原位成型制备的缺点。因此，专利技术一种简单易操作、成本低、环境友好的方法来制备三维氧化石墨烯泡沫材料对于石墨烯基多功能三维泡沫材料的大规模工业生产和广泛应用具有重要的意义。
技术实现思路
针对目前三维氧化石墨烯泡沫材料和三维石墨烯泡沫材料制备方法存在的功耗大、成本高、不易操作、制备周期长以及不能原位成型制备等缺点，本专利技术提供一种溶液自然晾干制备三维氧化石墨烯泡沫材料的方法，该方法主要是对含有表面活性剂的高浓度氧化石墨烯溶液进行搅拌发泡，然后涂覆在基底上直接自然晾干即可得到三维氧化石墨烯泡沫材料。该方法简单易操作，成本低，环境友好，可原位成型制备，适于工业化大规模连续生产三维氧化石墨烯泡沫材料。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种溶液自然晾干制备三维氧化石墨烯泡沫材料的方法，所述方法包括以下步骤：(1)将表面活性剂加入到浓度为8mg/mL～30mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，混合均匀后，以1000r/min～5000r/min的搅拌速度进行搅拌起泡，使发泡后溶液的体积为发泡前溶液体积的1.5～3倍，得到发泡的氧化石墨烯粘稠溶液；(2)将发泡的氧化石墨烯粘稠溶液平铺在基底上，且基底上平铺的发泡的氧化石墨烯粘稠溶液厚度为1mm～10mm，然后自然晾干，在基底上得到三维氧化石墨烯泡沫材料。进一步地，在步骤(2)的基底上所得到的三维氧化石墨烯泡沫材料表面平铺步骤(1)得到的将发泡的氧化石墨烯粘稠溶液，然后自然晾干，在基底上得到两层三维石墨烯泡沫材料；以此类推，重复在最外层的三维氧化石墨烯泡沫材料表面平铺步骤(1)得到的发泡的氧化石墨烯粘稠溶液，并自然晾干，在基底上得到两层以上三维石墨烯泡沫材料；其中，每次平铺的发泡的氧化石墨烯粘稠溶液的厚度分别独立为1mm～10mm。所述表面活性剂为阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂或两性离子表面活性剂，如十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸三乙醇胺、异辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯钠、三乙醇胺油酸皂、椰子油二乙醇酰胺、烷基糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚、异十三醇聚氧乙烯醚、十八胺聚氧乙烯醚、椰油酰胺丙基甜菜碱、椰油酰甘氨酸钠、月桂酰两性基乙酸钠或月桂酰胺丙基氧化胺，优选椰油酰胺丙基甜菜碱、烷基糖苷或十二烷基硫酸钠。步骤(1)中氧化石墨烯水溶液的制备方法不限，如Hummers法及各种改进的Hummers法；氧化石墨烯水溶液的浓度优选12mg/mL～20mg/mL。进一步地，氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯片的平均粒径为1μm～100μm。进一步地，氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的质量与表面活性剂的质量比为0.5～3，优选0.7～1.5。进一步地，采用刮涂法将发泡的氧化石墨烯粘稠溶液平铺在基底或最外层的三维氧化石墨烯泡沫材料上；其中，基底的材质不作限定，如不锈钢板、铝板、玻璃板、陶瓷片、木板以及瓷砖等都可以。进一步地，基底上每层三维氧化石墨烯泡沫材料制备时平铺的发泡的氧化石墨烯粘稠溶液的厚度分别独立为3mm～6mm；在基底上制备多层三维氧化石墨烯泡沫材料时，三维氧化石墨烯泡沫材料的层数优选3～5层。进一步地，发泡的氧化石墨烯粘稠溶液平铺在基底或最外层的三维氧化石墨烯泡沫材料上后，还可以置于10℃～60℃的低温大气气氛下干燥，缩短干燥时间。有益效果：(1)采用本专利技术所述方法所制备的三维氧化石墨烯泡沫材料由大量的氧化石墨烯不规则中空微球相互连接而成，呈现闭孔结构，材料密度小，而且在制备过程中通过重复平铺-晾干的步骤可以调节所制备的三维石墨烯泡沫材料的厚度，还可以作为前驱体用于石墨烯基三维泡沫材料的制备。(2)本专利技术所述方法简单易操作，成本低，环境友好，可原位成型制备，周期短，适于工业化大规模连续生产三维氧化石墨烯泡沫材料；而且该方法可以容易地扩展到石墨烯基多功能三维泡沫材料的制备，应用前景广阔。附图说明图1为实施例1步骤(2)中发泡的氧化石墨烯粘稠溶液在自然晾干过程中内部形貌变化的偏光显微镜图。图2为实施例1步骤(2)中制备的三维氧化石墨烯泡沫材料的表面扫描电子显微镜(SEM)图。图3为实施例1步骤(2)中制备的三维氧化石墨烯泡沫材料的截面扫描电子显微镜图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。以下实施例中：所述氧化石墨烯水溶液是采用如下方法制备的：将50g80～5000目的鳞片石墨粉、150g高锰酸钾以及3L质量分数为98％的浓硫酸分别存放在-18℃冰箱中4h～6h；然后，在冰水浴的条件下将鳞片石墨粉首先倒入干燥的5L烧杯中，再倒入1.5L的浓硫酸，然后开启搅拌，搅拌速率为100r/min～200r/min，再将高锰酸钾缓慢倒入烧杯中，该过程1min左右完成，再将剩余的1.5L浓硫酸倒入烧杯中，整个上述加料过程中不能有任何水加入，并且三种原料都要保持低温；在冰水浴条件下继续搅拌2h后，转移至50℃水浴加热搅拌反应6h；将反应产物均匀缓慢地倒入装有10L去离子水的桶中，倒入过程中施加缓慢搅拌，防止浓硫酸稀释过热，整个倒入过程0.5h左右完成；再继续搅拌0.5h后加入0.1L质量分数为30％的双氧水，继续搅拌0.5h左右停止搅拌，静置，待氧化石墨粉完全沉降后将上清液倒掉，下层氧化石墨进行透析，大概一周后，机械搅拌剥离，然后多次离心得到氧化石墨烯水溶液。其中，具体使用时要先确定所制备的氧化石墨烯水溶液的浓度，再根据实验要求，添加去离子水并超声分散，得到所需浓度的氧化石墨烯水溶液。偏光照片使用Axiocam506color显微镜观察得到。SEM图片使用JSM-75本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种溶液自然晾干制备三维氧化石墨烯泡沫材料的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：(1)将表面活性剂加入到浓度为8mg/mL～30mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，混合均匀后，以1000r/min～5000r/min的搅拌速度进行搅拌起泡，使发泡后溶液的体积为发泡前溶液体积的1.5～3倍，得到发泡的氧化石墨烯粘稠溶液；(2)将发泡的氧化石墨烯粘稠溶液平铺在基底上，且基底上平铺的发泡的氧化石墨烯粘稠溶液厚度为1mm～10mm，然后自然晾干，在基底上得到三维氧化石墨烯泡沫材料；其中，表面活性剂为阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂或两性离子表面活性剂，氧化石墨烯与表面活性剂的质量比为0.5～3。

【技术特征摘要】
1.一种溶液自然晾干制备三维氧化石墨烯泡沫材料的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：(1)将表面活性剂加入到浓度为8mg/mL～30mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，混合均匀后，以1000r/min～5000r/min的搅拌速度进行搅拌起泡，使发泡后溶液的体积为发泡前溶液体积的1.5～3倍，得到发泡的氧化石墨烯粘稠溶液；(2)将发泡的氧化石墨烯粘稠溶液平铺在基底上，且基底上平铺的发泡的氧化石墨烯粘稠溶液厚度为1mm～10mm，然后自然晾干，在基底上得到三维氧化石墨烯泡沫材料；其中，表面活性剂为阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂或两性离子表面活性剂，氧化石墨烯与表面活性剂的质量比为0.5～3。2.根据权利要求1所述的一种溶液自然晾干制备三维氧化石墨烯泡沫材料的方法，其特征在于：在步骤(2)的基底上所得到的三维氧化石墨烯泡沫材料表面平铺步骤(1)得到的将发泡的氧化石墨烯粘稠溶液，然后自然晾干，在基底上得到两层三维石墨烯泡沫材料；以此类推，重复在最外层的三维氧化石墨烯泡沫材料表面平铺步骤(1)得到的发泡的氧化石墨烯粘稠溶液，并自然晾干，在基底上得到两层以上三维石墨烯泡沫材料；其中，每次平铺的发泡的氧化石墨烯粘稠溶液的厚度分别独立为1mm～10mm。3.根据权利要求1所述的一种溶液自然晾干制备三维氧化石墨烯泡沫材料的方法，其特征在于：所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸三乙醇胺、异辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯钠、三乙醇胺油酸皂、椰子油二乙醇酰胺、烷基糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚、异十三醇聚氧乙烯醚、十八胺聚氧乙烯醚、椰油酰胺丙...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲良体，杨洪生，牟应科，
申请(专利权)人：北京理工大学，山东金城石墨烯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11