石墨烯气凝胶微球及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯气凝胶微球及其制备方法。该方法包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯与水混合形成氧化石墨烯分散液，然后将碱性溶液与氧化石墨烯分散液混合，超声分散得到氧化石墨烯液晶溶液；(2)将氧化石墨烯液晶溶液添加至氯化钙溶液中，得到氧化石墨烯微球；(3)将氧化石墨烯微球与还原剂溶液混合，在60～90℃下反应5～20h，得到石墨烯湿凝胶；(4)将石墨烯湿凝胶经过清洗、冷冻、解冻和干燥，得到石墨烯气凝胶微球。本发明专利技术的石墨烯气凝胶微球可以大规模生产。

Graphene aerogel microspheres and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
石墨烯气凝胶微球及其制备方法
本专利技术涉及一种石墨烯气凝胶微球及其制备方法。
技术介绍
石墨烯气凝胶具有空隙分布均匀密集、比表面积大、密度低、弹性高等特性，因而在能源设备、传感器、污染吸附剂和保温材料方面具有巨大的应用前景。传统气凝胶的内外均具有孔结构，大量石墨烯气凝胶聚集会发生群体效应，气凝胶易团聚和破碎。大块状的石墨烯气凝胶在制备过程中存在还原不充分、清洗难度大、干燥时间长等问题。此外，大块石墨烯气凝胶由于清洗不干净，残留有杂质，易导致石墨烯气凝胶出现缺陷，影响其使用性能。CN105195067A公开了一种石墨烯气凝胶微球的制备方法，将天然石墨制备成氧化石墨；将去离子水100份，氧化石墨0.05～2份均匀混合后，经200～400W超声剥离20～50min，制成浓度为0.5～20mg/ml的氧化石墨烯水分散液；通过喷雾法将氧化石墨烯水分散液雾化成氧化石墨烯液滴微球，并置于冷却浴中的接收液收集，将接收液过滤得到氧化石墨烯冰微球，经过冷冻干燥后获得氧化石墨烯气凝胶微球，然后将氧化石墨烯气凝胶微球通过热还原法得到石墨烯气凝胶微球。CN105498649B公开了一种石墨烯纳米粒子复合气凝胶微球的制备方法，将天然石墨制备成氧化石墨，将去离子水、氧化石墨、纳米粒子均匀混合后经1600W超声辐照60～180min制备成氧化石墨烯纳米粒子分散液，通过压力喷雾、超声喷雾或静电喷雾中的任一种喷雾法将氧化石墨烯纳米粒子水分散液雾化成氧化石墨烯纳米粒子液滴微球，并置于冷却浴中的接收液收集，过滤接收液得到氧化石墨烯纳米粒子冰微球，冷冻干燥后获得氧化石墨烯纳米粒子复合气凝胶微球，将气凝胶微球通过热还原法或化学还原法得到石墨烯纳米粒子复合气凝胶微球。上述方法仅仅适合实验室规模生产石墨烯气凝胶微球，不适合工业化大规模生产。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的第一个目的在于提供一种石墨烯气凝胶微球的制备方法，其适合大规模生产。进一步地，本专利技术的气凝胶微球具有较高的强度和压缩回弹性。本专利技术的第二个目的在于提供一种石墨烯气凝胶微球，其具有壳层内部具有多孔结构，导热系数较低。一方面，本专利技术提供一种石墨烯气凝胶微球的制备方法，包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯与水混合形成氧化石墨烯分散液，然后将碱性物质与氧化石墨烯分散液混合，超声分散得到氧化石墨烯液晶溶液；(2)将氧化石墨烯液晶溶液添加至氯化钙溶液中，得到氧化石墨烯微球；(3)将氧化石墨烯微球与还原剂溶液混合，在60～90℃下反应5～20h，得到石墨烯湿凝胶；(4)将石墨烯湿凝胶经过清洗、冷冻、解冻和干燥，得到石墨烯气凝胶微球。根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(1)中，所述氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯浓度为4～10mg/ml。根据本专利技术的制备方法，优选地，碱性物质为氢氧化钾或氢氧化钠。根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(1)中，超声分散的时间为3～15min。根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(2)中，将氧化石墨烯液晶溶液通过滴加设备滴入氯化钙溶液中，然后静置5～60min；其中，滴加设备的口径为0.5～5mm。根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(2)中，所述氯化钙溶液中的氯化钙浓度为1～8wt％。根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(3)中，还原剂溶液中的还原剂浓度为3～10g/L；还原剂选自乙二胺、抗坏血酸钠、氢碘酸、草酸与碘化钾组合物、没食子酸、硫化钠、四硼酸钠中的一种或多种。根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(4)中，将石墨烯湿凝胶采用水浸泡清洗10～36h，然后置于-10～-35℃下冷冻5～15h，随后在15～35℃下解冻，最后在常压下25～60℃下干燥，得到石墨烯气凝胶微球。另一方面，本专利技术还提供一种石墨烯气凝胶微球，由上述任一项方法制备得到。根据本专利技术的石墨烯气凝胶微球，优选地，其具有壳层结构，且壳层内部具有多孔结构，导热系数为0.02～0.05W/(m·k)。本专利技术首先获得高度有序的氧化石墨烯液晶溶液，然后借鉴湿法纺丝技术制备石墨烯湿凝胶，再采用常压干燥技术，获得具有壳层结构的石墨烯气凝胶微球。本专利技术的方法特别适合大规模工业化生产。根据本专利技术优选的技术方案，石墨烯气凝胶微球的壳层表面致密且具有一定的刚性，壳层内部是具有弹性的多孔结构，因而具有较高的强度和压缩回弹性。这样有利于大量收集，大规模生产。附图说明图1为石墨烯气凝胶微球的实物照片图2为石墨烯气凝胶微球的扫描电镜照片具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。本专利技术的氧化石墨烯气凝胶微球的制备方法包括如下步骤：(1)氧化石墨烯液晶溶液的步骤；(2)氧化石墨烯微球的制备步骤；(3)石墨烯湿凝胶的制备步骤；(4)石墨烯气凝胶微球的制备步骤。下面进行详细说明。在步骤(1)中，将氧化石墨烯与水混合形成氧化石墨烯分散液。混合的顺序并没有特别限定。根据本专利技术的一个实施方式，将氧化石墨烯加入水中进行分散，形成氧化石墨烯分散液。根据本专利技术的另一个实施方式，将水加入氧化石墨烯中进行分散，形成氧化石墨烯分散液。氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯浓度可以为4～10mg/ml，优选为5～9mg/ml，更优选为6～7mg/ml。这样有利于改善石墨烯气凝胶的壳层结构，从而改善导热系数。在步骤(1)中，将碱性物质与氧化石墨烯分散液混合，超声分散得到氧化石墨烯液晶溶液。混合的顺序并没有特别限定。根据本专利技术的一个实施方式，将碱性物质加入氧化石墨烯分散液中，形成氧化石墨烯分散液。根据本专利技术的另一个实施方式，将氧化石墨烯分散液加入碱性物质中，形成氧化石墨烯分散液。碱性物质可以为氢氧化钾或氢氧化钠；优选为氢氧化钾。碱性物质可以以固体粉末的形式使用，或者以碱性水溶液的形式使用。碱性水溶液中的碱性物质的浓度为0.02～0.2mol/L，优选为0.03～0.15mol/L，更优选为0.05～0.1mol/L。超声分散的时间为3～15min，优选为5～9min，更优选为5～8min。这样有利于改善石墨烯气凝胶的壳层结构，从而改善导热系数。在步骤(2)中，将氧化石墨烯液晶溶液添加至氯化钙溶液中，得到氧化石墨烯微球。氯化钙溶液是过量的，有利于氧化石墨烯液晶的凝固和有序排列。所述氯化钙溶液为水溶液，其中的氯化钙浓度为1～8wt％，优选为2～7wt％，更优选为3～5wt％。根据本专利技术的一个实施方式，将氧化石墨烯液晶溶液通过滴加设备滴入氯化钙溶液中，然后静置5～60min，优选为10～50min，更优选为15～30min。这样有利于液晶凝固形成微球。滴加设备的口径可以为0.5～5mm，优选为1～3.5mm，更优选为1～2mm。滴加设备并没有特别限制，例如注射器等。静置后形成的微球沉到容器底部，将凝固浴倒掉，加入大量去离子水清洗得到氧化石墨烯微球。在步骤(3)中，将氧化石墨烯微球与还原剂溶液混合，在60～90℃下反应5～20h，得到石墨烯湿凝胶。石墨烯湿凝胶可以以湿微球的形式存在。氧化石墨烯微球与还原剂溶液混合进行还原反应。还原反应的温度可以为60～90℃，优选为65～85℃，更优选为70～80℃。还原反应的时间可以为5～20h，优选为8～15h，更优选为9～12h。这样可以兼顾生产效率和壳层结构的形成。在步骤(3)中，还原剂溶液中的还本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯气凝胶微球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯与水混合形成氧化石墨烯分散液，然后将碱性物质与氧化石墨烯分散液混合，超声分散得到氧化石墨烯液晶溶液；(2)将氧化石墨烯液晶溶液添加至氯化钙溶液中，得到氧化石墨烯微球；(3)将氧化石墨烯微球与还原剂溶液混合，在60～90℃下反应5～20h，得到石墨烯湿凝胶；(4)将石墨烯湿凝胶经过清洗、冷冻、解冻和干燥，得到石墨烯气凝胶微球。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯气凝胶微球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯与水混合形成氧化石墨烯分散液，然后将碱性物质与氧化石墨烯分散液混合，超声分散得到氧化石墨烯液晶溶液；(2)将氧化石墨烯液晶溶液添加至氯化钙溶液中，得到氧化石墨烯微球；(3)将氧化石墨烯微球与还原剂溶液混合，在60～90℃下反应5～20h，得到石墨烯湿凝胶；(4)将石墨烯湿凝胶经过清洗、冷冻、解冻和干燥，得到石墨烯气凝胶微球。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯浓度为4～10mg/ml。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，碱性物质为氢氧化钾或氢氧化钠。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，超声分散的时间为3～15min。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将氧化石墨烯液晶溶液通过滴加设备滴入氯化钙溶液中，然后静置...

【专利技术属性】
技术研发人员：童裳慧，
申请(专利权)人：中素新科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11