一种三维石墨烯泡沫及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种三维石墨烯泡沫及其制备方法和应用。具体方法是以低温热剥离的石墨烯粉末为原料，通过一步烧结法不但可以实现石墨烯的进一步还原和缺陷的修复，还可以将二维的石墨烯粉末组装成三维的石墨烯泡沫。所制备的超轻石墨烯泡沫具有超高的电磁屏蔽效能且对有机溶剂具有超高的吸附能力，在电磁屏蔽领域和有机污染物吸附领域有重要应用。利用该方法可以实现高性能、多功能性石墨烯泡沫的简单、宏量制备，具有巨大的市场应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种三维石墨烯泡沫及其制备方法和应用
本专利技术属于石墨烯泡沫材料领域，具体涉及一种三维石墨烯泡沫及其制备方法和应用。
技术介绍
石墨烯(graphene)自发现以来便受到社会各界的广泛关注。石墨烯是由单层sp2杂化碳原子构成的，具有规则蜂窝结构的理想二维纳米晶体。这种纳米材料不仅具有传统纳米材料不可比拟的机械强度，还兼具优异的电、热、光等物理化学性能。以石墨烯作为基本构筑单元制备石墨烯基三维宏观聚集体是在宏观尺度利用和传递这种分子级厚度材料多功能性的有效途径。石墨烯泡沫是一种典型的石墨烯基三维宏观聚集体，其内部三维多孔的网络结构赋予了泡沫本身良好的导电/热性、较高的比表面积(～100-900m2/g)和超低的密度(～1-40mg/cm3)，使其在超级电容器、锂电池、电磁屏蔽、污染物吸附、吸波、催化剂载体等领域具有重大的应用前景,如文献：NanoLetters,2012,12,2446-2451；AngewandteChemieInternationalEdition,2012,51,11371-11375；AdvancedMaterials,2015,27,2049-2053；AdvancedFunctionalMaterials,2012,22,4421-4425。目前，石墨烯泡沫的制备方法包括水热/溶剂热法、溶胶-凝胶化学法、溶胶冷冻法、模板法，如文献：ACSNano,2010,4,4324-4330；JournaloftheAmericanChemicalSociety,132,14067-14069；AdvancedMaterials,2013,25,2554-2560；NatureMaterials,2011,10,424-428。前三种方法较为相似，都是以氧化石墨为出发点，制备过程主要包括四大步：(1)氧化石墨烯的剥离；(2)石墨烯的自组装过程或凝胶化过程或溶胶冷冻过程；(3)湿凝胶或泡沫的冷冻或超临界CO2干燥过程；(4)干凝胶或泡沫的热/化学还原过程。上述方法常用于介孔和大孔石墨烯泡沫的制备。其中，石墨烯的自组装和凝胶化过程、冷冻或超临界干燥处理以及后续的热/化学还原处理较为复杂、耗时，增加了实验的难度和结果的不确定性。模板法常采用化学气相沉积法(CVD)在金属镍泡沫上生长石墨烯，或者通过负载化学法制备的石墨烯到开孔聚氨酯泡沫上，再或者填充二氧化硅或聚苯乙烯微球等到石墨烯结构中先制备石墨烯泡沫的前驱体。然后，通过酸刻蚀或热分解除去外来模板的方法得到具有大孔结构的石墨烯泡沫，如文献：AdvancedMaterials,2013,25,1296-1300；AdvancedMaterials,2013,25,5658-5662；AdvancedMaterials,2013,25,6692-6698；AdvancedMaterials,2012,24,4419-4423；ACSNano,2012,6,4020-4028。然而，由于石墨烯片层间较弱的物理相互作用，在除去模板过程，石墨烯泡沫的骨架结构容易塌陷且刻蚀或热解过程也较为耗时，造成该方法有较大的局限性。另外，以CVD法为例，其对设备要求较高且存在模板难刻蚀等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三维石墨烯泡沫及其制备方法和应用。所制备的超轻三维石墨烯泡沫具有超高的电磁屏蔽效能且对有机溶剂具有超高的吸附能力，利用该方法可以实现高性能、多功能性石墨烯泡沫的简单、宏量制备，具有巨大的市场应用前景。一种三维石墨烯泡沫的制备方法，具体步骤如下：(1)以化学氧化法制备的氧化石墨为原料，在80～500℃下剥离得到石墨烯粉末；(2)将步骤(1)中得到的石墨烯粉末压入到模具中，在600～3000℃下烧结得到三维石墨烯泡沫。本专利技术方法是低温热剥离的石墨烯粉末为原料，通过一步烧结法不但可以实现石墨烯的进一步还原和缺陷的修复，还可以将二维的石墨烯粉末组装成三维的石墨烯泡沫。步骤(1)中，所述氧化石墨是以天然鳞片石墨或石墨粉为原料，以高锰酸钾、氯酸钾和高铁酸钾等中的一种或几种为氧化剂，通过化学氧化法制备得到。步骤(1)中，所述剥离的时间为1～10min。步骤(1)中，采用低温热剥离制备石墨烯粉末，可以保留一定量的含氧官能团在石墨烯片层上，使其在后续的烧结过程可以随着含氧官能团的脱除而形成物理相互作用甚至发生层间整合，最后成型为具有三维网络结构的石墨烯泡沫。此处不直接使用含有丰富含氧官能团的氧化石墨的原因是：氧化石墨在受热(>100℃)时往往会发生“爆炸性”膨胀，可控性差。作为优选，步骤(2)中，将石墨烯粉末压入到模具时的压力为1～109Pa。对石墨烯粉末进行加压处理的目的是迫使石墨烯片层之间的距离足够接近，该过程不仅有利于其片层在高温烧结过程中形成有效的物理作用如π-π堆积，而且还有助于诱导其层间整合如形成石墨微晶等，最终成型为三维宏观的石墨烯泡沫。作为优选，步骤(2)中，石墨烯粉末的烧结温度为1000～2200℃。该温度区间有利于得到比表面积较高、密度较低、骨架结构较为稳定的石墨烯泡沫。在一定范围内，进一步降低温度虽然有利于提高其比表面积、降低其密度，但同时也会大幅削弱所得石墨烯泡沫的力学强度，使其难以满足实际应用和后加工处理；进一步升高温度虽会提高所得石墨烯泡沫的强度，但同时会大幅提高其密度、降低其比表面积。最后，直至形成无孔的石墨烯块体材料。步骤(2)中，所述烧结的时间为1min～100h，作为优选，所述烧结的时间为30～60min。烧结时间过短不利于石墨烯片上含氧官能团的脱除，进而影响其片层间物理作用的形成和层间整合的进行，最终影响所得三维石墨烯泡沫的力学性能和导电性；延长烧结时间虽在一定程度上提高所得三维石墨烯泡沫的力学和电学性能，但也会增大泡沫的密度，同时过长的热处理时间会大幅增加该过程的能耗，在一定程度上限制了其应用范围。步骤(2)中，石墨烯粉末在真空中或惰性气体的保护下进行烧结得到三维石墨烯泡沫。步骤(2)中，所述模具仅影响所得三维石墨烯泡沫的整体形状，模具本身不受限定，能耐受600～3000℃即可。本专利技术还提供了一种根据上述方法制备得到的三维石墨烯泡沫，所述三维石墨烯泡沫的孔径为2nm～200μm，密度为10～50mg/cm3，比表面积为10～600m2/g。本专利技术还提供了上述三维石墨烯泡沫在电磁屏蔽领域中的应用。将所述三维石墨烯泡沫作为电磁屏蔽材料的骨架，通过构建良好的导电网络提高材料的电磁屏蔽性能。本专利技术还提供了上述三维石墨烯泡沫在有机污染物吸附领域的应用。所述三维石墨烯泡沫对有机污染物具有超高的吸附速率(约12g/s)和较高的吸附量(47～110g/g)，通过对饱和吸附的三维石墨烯泡沫进行燃烧或蒸馏可以去除其所吸附的有机污染物，实现三维石墨烯泡沫的循环使用。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)高温烧结过程不但将二维的石墨烯片组装成宏观的三维石墨烯泡沫，同时还是实现了石墨烯的进一步还原并大幅修复了其上的缺陷，大大提高了所得石墨烯泡沫的功能性如导电、导热、电磁屏蔽和电化学性能；(2)通过调节模具和控制烧结温度可在一定范围内对三维石墨烯泡沫的形状和密度进行自由调控；(3)从二维的石墨烯粉末到三维的石墨烯泡沫，实现了一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维石墨烯泡沫的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)以化学氧化法制备的氧化石墨为原料，在80～500℃下剥离得到石墨烯粉末；(2)将步骤(1)中得到的石墨烯粉末压入到模具中，在600～3000℃下烧结得到三维石墨烯泡沫。

【技术特征摘要】
1.一种三维石墨烯泡沫的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)以化学氧化法制备的氧化石墨为原料，在80～500℃下剥离得到石墨烯粉末；(2)将步骤(1)中得到的石墨烯粉末压入到模具中，在600～3000℃下烧结得到三维石墨烯泡沫。2.根据权利要求1所述的三维石墨烯泡沫的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将石墨烯粉末压入到模具时的压力为1～109Pa。3.根据权利要求1所述的三维石墨烯泡沫的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，石墨烯粉末的烧结温度为1000～2200℃。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑文革，沈斌，李洋，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33