石墨烯纳米气泡材料及其制备方法和应用、吸附剂、催化剂、光学材料、储能材料技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯纳米气泡材料及其制备方法和应用、吸附剂、催化剂、光学材料、储能材料。所述石墨烯纳米气泡材料的制备方法包括以下步骤：(a)将石墨原料与氧化性酸加热反应；(b)步骤(a)反应所得产物与插层剂加热反应；(c)步骤(b)所得产物与膨胀剂加热反应，反应后固液分离，得石墨纳米气泡材料；(d)对石墨纳米气泡材料进行机械力处理，得到石墨烯纳米气泡材料。该方法工艺科学，简单易行，无需昂贵的设备和贵金属作为反应条件，所得石墨烯纳米气泡材料的产率较高，气泡尺寸较大，直径在100‑300nm之间，且为封闭式的气泡，制备过程易于控制，原料来源广泛，制备成本低于1.5g/元，适合批量化生产。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯纳米气泡材料及其制备方法和应用、吸附剂、催化剂、光学材料、储能材料
本专利技术涉及无机材料领域，具体而言，涉及一种石墨烯纳米气泡材料及其制备方法和应用、吸附剂、催化剂、光学材料、储能材料。
技术介绍
气泡是日常生活中一个很普遍的现象，对于肉眼可见的气泡，其形成及性质不管是实验还是理论已相当成熟，而那些肉眼不可见的气泡，甚至是纳米级气泡的研究就相对欠缺。随着科技发展，上个世纪80年代提出纳米气泡概念。之后很多研究者对纳米气泡进行研究，也有一些突破性成果。2004年石墨烯材料问世，自此以后，石墨烯以其独特的结构和性质引起广泛重视。研究者在研究2D材料的覆盖时发现单层或者多层石墨烯可以束缚一些气体分子形成凸起状，称之为石墨烯纳米气泡。石墨烯纳米气泡的制备方法有高温质子轰击、机械剥离覆盖、高温解离后冷却、电化学等。目前有关石墨烯纳米气泡的文章和专利不多，且其形成的机制和材料性质的变化在进一步研究中，研究者发现一些奇特的现象，在石墨烯覆盖下的纳米气泡可以移动传输物质，纳米气泡内部有高达数Gpa的压力，还被认为在非线性光学材料领域有潜在应用价值。2010年加州大学伯克利分校的M.F.Crommie课题组在铂表面高温生长石墨烯时采用冷却方式得到石墨烯纳米气泡(尺寸大于3nm)，此制备方法条件苛刻，需要依靠昂贵的金属，且对仪器和设备要求高，制备的气泡尺寸较小。2016年E.Khestanova等人采取将石墨烯转移到层状材料表面，控制好条件会产生气泡结构，但此种方法制备的气泡产率不高，且步骤多、难以控制。中国专利(CN201910302265.X)公开了一种制备石墨烯气泡材料的方法，该方法使用胶带解理石墨，贴在氧等离子体处理的基体表面，通过热处理、液氮低温冷却在基底上得到石墨烯气泡。此方法需要使用昂贵仪器，且难以批量化生产以供研究者进一步研究其性质。2012年陈成猛教授在文章“Macroporous‘bubble’graphenefilmviatemplate-directedordered-assemblyforhighratesupercapacitors”中提出模板诱导法制备大孔“气泡”石墨烯薄膜，此方法制备的泡状石墨烯薄膜的气泡为开启状态，而非封闭状态。同样的，中国专利(CN104627995B)公开了一种泡状石墨烯材料及其制备方法，该方法将草酸与氧化石墨烯分散液按照比例溶解，经过干燥后在保护气体氛围下400-1000℃高温处理，最后100-200℃下经过水合肼蒸汽还原得到泡状石墨烯材料。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种石墨烯纳米气泡材料的制备方法，该方法工艺科学，简单易行，无需昂贵的设备和贵金属作为反应条件，所得石墨烯纳米气泡材料的产率较高，气泡尺寸较大，直径在100-300nm之间，且为封闭式的气泡，制备过程易于控制，原料来源广泛，制备成本低于1.5g/元，适合批量化生产。本专利技术的第二目的在于提供一种采用上述制备方法得到的石墨烯纳米气泡材料。本专利技术的第三目的在于提供一种石墨烯纳米气泡材料的应用。本专利技术的第四目的在于提供一种吸附剂、催化剂、光学材料或储能材料。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种石墨烯纳米气泡材料的制备方法，包括以下步骤：(a)将石墨原料与氧化性酸加热反应；(b)步骤(a)反应所得产物与插层剂加热反应；(c)步骤(b)所得产物与膨胀剂加热反应，反应后固液分离，得石墨纳米气泡材料；(d)对石墨纳米气泡材料进行机械力处理，得到石墨烯纳米气泡材料。作为进一步优选的技术方案，石墨原料包括鳞片石墨、可膨胀石墨或膨胀石墨中的至少一种。作为进一步优选的技术方案，氧化性酸包括浓硫酸、浓硝酸、高氯酸、次氯酸或高锰酸中的至少一种；优选地，插层剂包括K2Cr2O7、H2O2、KMnO4、(NH4)2S2O8、O3、CrO3或K2FeO4中的至少一种；优选地，膨胀剂包括(NH4)2C2O4、H2O2、(NH4)2S2O8、H2C2O4、NH4HCO3或NH4NO3中的至少一种；优选地，插层剂和膨胀剂不同。作为进一步优选的技术方案，石墨原料、氧化性酸、插层剂和膨胀剂的质量比为1：(18-108)：(0.1-1)：(5-60)，优选为1：(45-55)：(0.2-0.8)：(5-20)，进一步优选为1：50：0.5：10。作为进一步优选的技术方案，步骤(a)中，加热反应温度为0-50℃，反应时间为10min-4h；优选地，步骤(b)中，加热反应温度为0-60℃，反应时间为30min-10h；优选地，步骤(c)中，加热反应温度为0-40℃，反应时间为1min-1h。作为进一步优选的技术方案，在固液分离后，还依次包括洗涤和干燥的步骤，然后得到石墨纳米气泡材料；优选地，干燥温度为30-120℃，干燥时间为3-12h。作为进一步优选的技术方案，机械力处理的方式包括超声法、球磨法、高剪切乳化分散法、高压均质法、气流粉碎法、超重力旋转法、超临界流体法或微流化法中的至少一种。第二方面，本专利技术提供了一种采用上述制备方法得到的石墨烯纳米气泡材料。第三方面，本专利技术提供了一种上述石墨烯纳米气泡材料在制备吸附剂、催化剂、光学材料或储能材料中的应用。第四方面，本专利技术提供了一种吸附剂、催化剂、光学材料或储能材料，包括上述石墨烯纳米气泡材料。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的石墨烯纳米气泡材料的制备方法将石墨原料依次与氧化性酸、插层剂和膨胀剂加热反应，石墨原料依次与氧化性酸和插层剂反应，氧化性酸首先对石墨原料进行插层，然后插层剂在氧化性酸体系中实现氧化插层的效果，石墨原料的层间距被打开；再与膨胀剂反应，在反应体系中会产生气体，这些气体会有一部分进入到被打开的石墨原料的层间距中并被石墨材料束缚，同时随着石墨原料的膨胀，被束缚的气体形成气泡，经固液分离后得到石墨纳米气泡材料，再对石墨纳米气泡材料进行机械力处理，使得石墨纳米气泡材料转化为石墨烯纳米气泡材料。该方法工艺科学，简单易行，只需加热反应即可形成所需气泡，无需昂贵的设备和贵金属作为反应条件，所得石墨烯纳米气泡材料的产率较高，气泡尺寸较大，直径在100-300nm之间，且为封闭式的气泡，制备过程易于控制，原料来源广泛，制备成本低于1.5g/元，适合批量化生产。附图说明图1为实施例1所得中间产物石墨纳米气泡材料的SEM图；图2为实施例1得到的石墨烯纳米气泡材料的SEM图；图3为实施例1得到的石墨烯纳米气泡材料的Raman光谱图；图4为实施例1得到的石墨烯纳米气泡材料的XRD图；图5为实施例4所得中间产物石墨纳米气泡材料的SEM图；图6a为实施例5所得中间产物石墨纳米气泡材料的SEM图；图6b为实施例6所得中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯纳米气泡材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(a)将石墨原料与氧化性酸加热反应；/n(b)步骤(a)反应所得产物与插层剂加热反应；/n(c)步骤(b)所得产物与膨胀剂加热反应，反应后固液分离，得石墨纳米气泡材料；/n(d)对石墨纳米气泡材料进行机械力处理，得到石墨烯纳米气泡材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯纳米气泡材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)将石墨原料与氧化性酸加热反应；
(b)步骤(a)反应所得产物与插层剂加热反应；
(c)步骤(b)所得产物与膨胀剂加热反应，反应后固液分离，得石墨纳米气泡材料；
(d)对石墨纳米气泡材料进行机械力处理，得到石墨烯纳米气泡材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，石墨原料包括鳞片石墨、可膨胀石墨或膨胀石墨中的至少一种。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，氧化性酸包括浓硫酸、浓硝酸、高氯酸、次氯酸或高锰酸中的至少一种；
优选地，插层剂包括K2Cr2O7、H2O2、KMnO4、(NH4)2S2O8、O3、CrO3或K2FeO4中的至少一种；
优选地，膨胀剂包括(NH4)2C2O4、H2O2、(NH4)2S2O8、H2C2O4、NH4HCO3或NH4NO3中的至少一种；
优选地，插层剂和膨胀剂不同。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，石墨原料、氧化性酸、插层剂和膨胀剂的质量比为1：(18-108)：(0.1-1)：(5-60)，优选为1：(45-55)：(0.2-0.8)：...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋东成，陈武峰，陈建慧，盛圆圆，徐晴川，张晓平，
申请(专利权)人：昂星新型碳材料常州有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32