本发明专利技术涉及石墨烯氧化物和石墨烯气凝胶及其制备方法与环境应用。石墨烯氧化物（GO）和石墨烯（G）气凝胶分别是GO和G基本单元构成的两类具有大量孔隙、类似海绵状结构的碳固体；具有极低密度、极强亲疏水性、较强弹性及防火性等特性。气凝胶制备工艺包括：（1）制备氧化石墨前驱体，（2）控制氧化石墨性质如官能团种类和数量、分散性、浓度、尺寸结构等，（3）水热/溶剂热GO（或G）溶液，（4）干燥（干燥和还原）处理后，即可获得性能优异的GO（或G）气凝胶。该制备工艺可操作性强、易于扩大，所制备的气凝胶在吸附去除废水中染料和废油方面具有广阔应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高效功能材料，具体地说是石墨烯氧化物和石墨烯气凝胶及其制备方法与环境应用，两种气凝胶在材料化学、环境、电子和能源等领域具有广阔的应用前景。
技术介绍
气凝胶（aerogel），又称为干凝胶，是经过化学溶液反应，形成溶胶，再凝胶化获得的凝胶。除去凝胶中的大部分溶剂，获得的一种空间网状结构中充满气体，外表呈固体状密度极低的（接近空气密度）多孔材料。气凝胶具有密度低、孔隙率高、比表面积大、热导率低和化学性能稳定等性质，由这些基本性质可以衍生出其它性能，诸如隔热、隔音、防震、亲/疏水等。气凝胶分为四类，第一类为无机气凝胶（氧化物、氟化物、碳化物、混合氧化物），第二类为有机气凝胶（醛系、脲衍生物、聚合物、碳类），第三类为混合气凝胶（有机+无机），第四类为复合气凝胶（纤维增强气凝胶、其它复合气凝胶）。常见的气凝胶有硅气凝胶、碳气凝胶和二氧化硅气凝胶。石墨烯氧化物和石墨烯气凝胶是最新发展的气凝胶，属于碳气凝胶。碳是自然界分布最普遍的元素之一，也是构成地球上一切生命体最重要的元素。以碳元素为主要构成的有机高分子材料，包括塑料、橡胶和纤维等，已发展成为材料学三个主要学科方向之一。而以碳元素本身，通过不同结构、组合，能形成一个独特的无机非金属材料世界。碳原子间不仅能够以sp3杂化轨道形成单键，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁键，因此，除了自然界存在多种同素异形体的碳材料外，科学家们通过实验还合成了众多结构和性质完全不同的碳材料，如人们熟悉的金刚石和石墨，以及以C60为代表的富勒烯以及碳纳米粉体、管材、线材等，这些碳纳米材料始终是纳米材料和纳米科学研究的重点。最近新型碳纳米材料石墨烯的发现以及其潜在的应用，更是推动这类新型碳纳米材料的研究与应用。这些新型碳材料的特性几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光－全透光、绝缘体－半导体－高导体、绝热－良导热、高铁磁体、高临界温度的超导体等。因此，碳材料作为一种重要的材料，开展碳材料的研究与产业化应用，重点关注石墨烯为基础的新型碳纳米材料研究，是发展高新材料的一个重要的方向。2004年，英国曼切斯特大学物理学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯(graphene, GR)，证实石墨烯可以稳定存在。仅仅6年之后，两人便因此共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。一个成果从完成到获诺贝尔奖，仅仅间隔6年时间，是十分罕见的。石墨烯是碳原子以sp2轨道杂化组成六角形蜂巢状晶格的二维(2D)晶体，可以看作是所有碳纳米材料的基础结构。石墨烯可以曲翘成零维(0D)的富勒烯(fullerence)；卷曲成一维(1D)的碳纳米管(carbon nanotube, CNT)或堆叠成三维(3D)的石墨(graphite)。由于石墨烯具有超高的强度和韧性、不透水、不透气、耐强酸碱、既能导电又高度透明等一系列奇特性质，多个国家和研究结构对它的研发投入了极大兴趣。有科学家甚至预言，石墨烯将“彻底改变21世纪”。气凝胶是前驱体经过化学溶液反应形成溶胶，溶胶聚合凝胶化得到凝胶，通过干燥（通常是超临界干燥和冷冻干燥）除去溶胶中的大部分溶剂即可获得具有空间网状结构并充满气体的固体气凝胶。石墨烯氧化物和石墨烯气凝胶以氧化石墨为前驱体，通过超声分散得到石墨烯氧化物胶体溶液，经过水热/溶剂热过程得到凝胶，凝胶干燥后便可获得气凝胶。对石墨烯氧化物胶体溶液（官能团种类及数量、分散性及浓度、尺寸、结构完整性等）、水热/溶剂热过程（溶剂类型、反应条件）、干燥工艺及后续处理（还原）等进行详细系统的研究，可以获得具有优异性能的石墨烯氧化物和石墨烯气凝胶。气凝胶的应用非常广泛，包括热学领域、电学领域、声学领域、光学领域、过滤与催化领域、吸附领域、分形特性及捕获高速粒子等，以热学应用领域为例，气凝胶在化工工业、建筑工业、石油工业、运输工业、原油泄漏、航空航天、国防、鞋子和其它民用行业上均有涉猎。石墨烯氧化物和石墨烯气凝胶的应用同样遍及各行各业，它们在环境领域的应用得到了极大的关注，特别是在污染物吸附去除方面，净化环境的潜力无限，主要得益于它们的三维多孔结构，结构中包含了无数的大孔、中孔、介孔、微孔，这就赋予石墨烯氧化物和石墨烯气凝胶巨大的比表面、孔容，再加上巨大的π共轭结构，无疑是作为吸附材料的最佳选择。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供石墨烯氧化物和石墨烯气凝胶及其制备方法与环境应用。石墨烯氧化物（GO）和石墨烯（G）气凝胶分别是GO和G基本单元构成的两类具有大量孔隙、类似海绵状结构的碳固体。GO密度为0.3~2.0 mg/cm3、接触角在30~80 °、孔径为1 nm~5 μm、孔隙率为65~99％、比表面积为100~1700 m2/g并具有较强弹性及防火性；G密度为0.25~1.8 mg/cm3、接触角在95~150 °、孔径为1 nm~3.5 μm、孔隙率为80~99％、比表面积为300~2000 m2/g并具有较强弹性及防火性。本专利技术的另一目的是提供所述GO和G气凝胶的可控制备方法，制备方法包括：（1）制备氧化石墨前驱体，（2）控制氧化石墨性质如官能团种类和数量、分散性、浓度、尺寸结构等，（3）水热/溶剂热GO（或G）溶液，（4）干燥（或干燥和还原）处理后，即可获得性能优异的GO（或G）气凝胶。本专利技术的目的通过以下技术路线实现。1. 氧化石墨的制备：所述氧化石墨溶液采用改进的Hummer法合成。（1）取100~500 mL浓硫酸、1.0~5.0 g石墨粉和5.0~30.0 g高锰酸钾在冰水浴下搅拌分散0.5~3.0 h。（2）将步骤（1）得到的混合物在25~50 ℃下保持1~12 h。（3）往步骤（2）得到的产物中加入100~300 mL去离子水，待反应体系冷却降温到90~105 ℃时滴加2~10 mL过氧化氢直至反应溶液没有颜色变化。（4）将步骤（3）的产物依次用250~1500 mL、体积分数为20%~50%的盐酸溶液和1500~7500 mL去离子水进行洗涤产物。（5）将上一步骤得到的产物配制成浓度为0.3~15 mg/mL氧化石墨水溶液。所得氧化石墨具有丰富的含氧官能团、碎片少结构较完整、尺寸在0.5~45 μm、分散性极好。2. GO气凝胶的制备：石墨经过预氧化和性能处理后，所述GO气凝胶优选通过溶剂热和冷冻干燥两个过程合成。（1）取2~30 mL浓度为0.3~15.0 mg/mL的氧化石墨水溶液并加入0~118 mL去离子水或乙醇或乙二醇，对新配制的氧化石墨溶液进行功率为40~200 W、频率为8~40 KHZ超声分散5~120 min得到GO胶体溶液。（2）将步骤（1）得到的GO胶体溶液转移到内衬聚四氟乙烯反应釜中，为了增强所得石墨烯氧化物气凝胶的机械性能，可在反应釜中加入0.1~1.0 wt％的高聚物（PEG、PAN和PVDF），在100~200 ℃下反应6~24 h。（3）将步骤（2）得到的GO凝胶反复用去离子水洗涤6~24 次，在冷冻温度为-5~-65 ℃，真空度为15~60000 Pa的条件下干燥1~72 h即可获得GO气凝胶。3. G气凝胶的制备：石墨经过预氧化和性能处理后，所述G气凝本文档来自技高网...
【技术保护点】
石墨烯氧化物（GO）和石墨烯（G）气凝胶及其制备方法与环境应用，所制备气凝胶分别是GO和G基本单元构成的两类具有大量孔隙、类似海绵状结构的碳固体，其制备方法包括：（1）制备氧化石墨前驱体，（2）控制氧化石墨性质如官能团种类和数量、分散性、浓度、尺寸结构等，（3）水热/溶剂热GO（或G）溶液，（4）干燥（或干燥和还原）处理后，即可获得性能优异的GO（或G）气凝胶。
【技术特征摘要】
1.石墨烯氧化物（GO）和石墨烯（G）气凝胶及其制备方法与环境应用，所制备气凝胶分别是GO和G基本单元构成的两类具有大量孔隙、类似海绵状结构的碳固体，其制备方法包括：（1）制备氧化石墨前驱体，（2）控制氧化石墨性质如官能团种类和数量、分散性、浓度、尺寸结构等，（3）水热/溶剂热GO（或G）溶液，（4）干燥（或干燥和还原）处理后，即可获得性能优异的GO（或G）气凝胶。2.权利要求1所述的GO和G气凝胶，其制备方法的特征在于：所用氧化石墨溶液是以改进的Hummer法合成，超声辅助配制的氧化石墨溶液浓度均为0.3~15 mg/mL，其超声功率、频率和时间分别为40~200 W、8~40 KHZ和5~120 min。3.权利要求1所述的GO和G气凝胶，其制备方法的特征在于：GO和G气凝胶溶剂/水热温度和时间分别均为100~200 ℃和6~24 h，溶剂/水热后产物用去离子水均洗涤6~24 次；冷冻干燥温度、真空度和时间分别均为-5~-65 ℃、15~60000 Pa和1~72 h。4.权利要求1所述的GO气凝胶，其制备方法的特征在于：所用溶液为氧化石墨水溶液、乙醇与水的混合液（乙醇与水的体积比为0.02~2）或乙二醇与水的混合液（乙二醇与水的体积比为0.02~2）；GO溶剂热过程中高聚物PEG、PAN和PVDF添加量为0.1~1.0 wt％。5.权利要求4所述的GO气凝胶，其特征在于：所述GO气凝胶密度为0.3~2.0 mg/cm3、接触角在30~80 °、孔径为1 nm~5 μm、孔隙率为65~99％、比表面积为100~1700 m2/g，GO气凝胶具有较强的弹性及防火性...
【专利技术属性】
技术研发人员：付明来，陈建炜，杨佳诚，苑宝玲，
申请(专利权)人：中国科学院城市环境研究所，
类型：发明
国别省市：福建;35
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