一种氮掺杂石墨烯水凝胶的含水量为90-99.5%，导电率10-3-100S/m，N/C摩尔比值为1-25%。种氮掺杂石墨烯气凝胶的N/C摩尔比值为2-20%，C/O摩尔比值为15-5；氮原子的存在形式为胺基氮为40-70%，吡啶型氮为10-40%，石墨型氮为10-30%；比表面积300-1500m2/g，孔径为微孔10-20%，介孔20-50%，大孔30-70%；表观密度0.01-0.2g/cm3,孔体积5-20cm3/g,电导率1-1000S/m。本发明专利技术具有操作简单、对设备要求低、生产效率高、工艺放大容易、氮掺杂含量可控、与其他功能物质复合简单的特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于一种水凝胶和气凝胶技术，更具体地涉及一种。
技术介绍
石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后的一种新型的碳材料，自2004年Geim等用机械剥离法成功的制备了单层石墨烯，其便以独特的性能在各个领域掀起了石墨烯研究的热潮。石墨烯是SP2杂化的碳原子在六方晶格中排列所形成片状单层，是一种完美的二维结构材料；其具有超高的比表面(2600 mY1)，高的热导率(5000 WnT1IT1),极大的载流子迁移速率(2X IO5 Cm2V4iT1)和强的杨氏模量(I TPa)，因此石墨烯在储能、催化、传感器、电子器件、复合材料等方面的研究备受关注。为了进一步拓宽石墨烯材料的应用领域，需要对石墨 烯的性能进行调变，有两种方式可供选择一是通过改变石墨烯形貌(尺寸大小、边沿类型等)，达到调变性能的目的，比如石墨烯纳米带，石墨烯量子点；二是通过化学掺杂的方法，通过杂质原子(N、B等)的引入改变石墨烯的化学组成，从而达到调变的目的。其中，氮掺杂能够显著的调变石墨烯的性能，赋予了石墨烯更高的导电性、η型掺杂行为、对氧还原反应的催化性能等。氮掺杂石墨烯的制备是目前石墨烯研究较多的一个分支，主要方法有化学气相沉积法、偏析生长法、电弧法、高温热处理法、等离子体法。另一方面，在纳米技术中，为了获取宏观上新颖的结构和功能，需要对微观上具有特殊性质的纳米材料单元进行组装。石墨烯也不例外，通过对石墨烯的前驱体氧化石墨烯进行组装，目前已经制备出了石墨烯透明导电薄膜、石墨烯纸、水凝胶、气凝胶等。石墨烯水凝胶是一类以水为分散介质、具有高度交联网络骨架的凝胶，具有含水量高和良好的导电性、机械性能和电化学性能等特点。微观网络结构具有丰富的孔洞，提供了大的比表面积，是一种理想的电极材料。而石墨烯气凝胶是分散介质为空气的凝胶，具有极高的孔隙率(75-99. 9%)、极低的密度(O. 001-0. lg/cm3)和大的比表面积(200-1500 m2/g)，在隔热材料、隔音材料、吸附剂、储能、催化剂载体、生物相容材料等方面都有大量的研究。石墨烯水凝胶和气凝胶属于碳基凝胶，具备碳基凝胶所具有特性，如生物相容性、导电性、吸附性等。但是到目前为止，氮掺杂石墨烯的组装研究还几乎没有展开，尤其是氮掺杂石墨烯水凝胶和气凝胶的制备。主要原因为目前制备氮掺杂石墨烯所采用方法限制石墨烯单元的自组装过程。因此，一种成本低廉、操作简单、易于生产放大的，制备氮掺杂石墨烯水凝胶和气凝胶的方法有待开发。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种氮掺杂石墨烯水凝胶或气凝胶的制备方法，该方法具有操作简单、条件温和、成本低廉、工艺易于放大的优点。本专利技术的氮掺杂石墨烯水凝胶含水量为90-99. 5%，导电率10_3_100 S/m, N/C摩尔比值为1-25%。本专利技术的氮掺杂石墨烯气凝胶N/C摩尔比值为2-20%，C/0摩尔比值为15_5 ;氮原子的存在形式为胺基氮为40-70%)，吡啶型氮为10-40%，石墨型氮为10-30%;比表面积300-1500m2/g，孔径为微孔 10_20%，介孔 20_50%，大孔 30-70% ;表观密度 O. 01-0. 2g/cm3,孔体积 5-20cm3/g,电导率 1-1000 S/m。本专利技术的制备方法具体包括以下步骤 (O氧化石墨烯分散液的制备将氧化石墨研磨成1-100微米的细粉，随后与溶剂混合，搅拌至分散均匀；之后对上述体系进行O. l-2h超声处理，功率为10-1000W，制成浓度为O. l-9mg/mL的分散液；随后经过离心处理除去少量的不溶物，所得液体即为氧化石墨烯分散液； (2)氮掺杂石墨烯水凝胶的制备将步骤(I)得到的氧化石墨烯分散液与氮源进行混合，搅拌或者超声分散均匀，在30-220°C下反应O. 5-36h,自组装制得氮掺杂石墨烯水凝胶； (3)氮掺杂石墨烯气凝胶的制备对步骤(2)所制备的氮掺杂石墨烯水凝胶进行干燥，制得氮掺杂石墨烯气凝胶。所述氧化石墨是以天然石墨、鳞片石墨、致密结晶状石墨或者人造石墨为原料，采用 Hummers 法、Staudenmaier 法或 Brodie 法制备的； 所述的溶剂为水、乙醇、甲醇或者其混合液； 所述氮源包括水合肼、氨水、尿素、氰胺、三聚氰胺、丙烯腈等；氮源与分散液中氧化石墨烯的质量比为O. 1-100:1。所述的干燥方式包括冷冻干燥和超临界干燥；冷冻干燥中，冷冻温度为-15--196°C，干燥温度为-10-30°C，干燥时间为l_72h ;超临界干燥中，干燥介质为二氧化碳、乙醇、甲醇、丙酮或者水等。本专利技术中所涉及的原料、溶剂、氮源、介质、仪器设备等不受具体型号、工艺条件、操作步骤等的限制，可以是任何商业或者非商业的产品。其中，所制备的氮掺杂石墨烯水凝胶形状规则可调，有圆形、三角形、圆柱形等；虽然其水凝胶含水量大于99%，但是其强度远远超过了普通的自组装水凝胶的强度，甚至能够支撑起其自身重量(干重)2000倍的重物；无论是在极性溶剂还是在强酸、强碱中，均体现出了良好的稳定性，在水的冰点和沸点之间不发生溶胶-凝胶转变。当将本专利技术所制备的氮掺杂石墨烯水凝胶用作废水处理的吸附剂时，无论是把氮掺杂石墨烯水凝胶直接加入到盛有废水的容器中，还是把氮掺杂石墨烯水凝胶封装在水处理管路中，在压力驱动下让废水通过水凝胶，均有良好的处理效果。氮掺杂石墨烯水凝胶不仅对水中所含微量苯的衍生物有很强的吸附能力(50-5000mg/g)，对废水中的重金属离子汞(Hg2+)、铅(Pb2+)、铬(Cr6+)、镉(Cd2+)、砷(As3+、As5+)、钴(Co2+)具有强的络合能力(10-750mg/g),可用作废水处理的吸附剂；其次可用作控制药物释放速度的药物载体。本专利技术所制备的氮掺杂石墨烯气凝胶不仅保持了相应水凝胶的外观形状还具有丰富的孔结构，并能有效的调控孔的类型(微孔、介孔和宏观大孔)，气凝胶中的氮掺杂石墨烯片非常薄，在电镜的电子束下呈透明状。将氮掺杂石墨烯气凝胶用作双电层电容器、储氢载体、传感器、隔热材料具有良好前景。与现有石墨烯组装技术相比，本专利技术制备氮掺杂石墨烯水凝胶和气凝胶的方法具有操作简单、对设备要求低、生产效率高、工艺放大容易、氮掺杂含量可控、与其他功能物质复合简单的特点。氮掺杂石墨烯水凝胶含水量高，机械强度大，稳定性好，对苯的衍生物和重金属离子吸附能力强，可用于废水处理和药物载体。所制备的氮掺杂石墨烯气凝胶具有孔结构丰富、孔径可调、导电性良好、比表面积大的特点，可用作超级电容器、锂离子电池、催化载体、储氢材料等。附图说明图I为本专利技术实施例I所制备的氮掺杂石墨烯水凝胶的光学图片 图2是本专利技术实施例2所制备的氮掺杂石墨烯水凝胶的光学图片； 图3是本专利技术实施例3所制备的氮掺杂石墨烯水凝胶承重前后的对比，表明所制备的水凝胶具有高的机械强度，能够支撑其干重重量2000倍的重物； 图4是本专利技术实施例3所制备的氮掺杂石墨烯水凝胶的压缩应力应变曲线； 图5是本专利技术实施例I所制备的氮掺杂石墨烯气凝胶的光学图片； 图6和图7为本专利技术实施例I所制备氮掺杂石墨烯气凝胶的扫描电镜图片； 图8为本专利技术实施例I所制备氮掺杂石墨烯气凝胶的氮气吸附/脱附曲线示意 图9和图10是本专利技术实施例4所制备的氮掺杂本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种氮掺杂石墨烯水凝胶，其特征在于氮掺杂石墨烯水凝胶含水量为90？99.5%，导电率10？3？100？S/m，N/C摩尔比值为1？25%。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙予罕，王刚，李德宝，贾丽涛，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。