铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜、其制备方法及应用。所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜具有连续、规整有序的石墨烯三维多孔网络结构和铆钉结构，所述三维多孔网络结构由石墨烯片层相互搭接构成，所述铆钉结构由羟基氧化铁纳米纤维桥接和贯穿石墨烯片层复合而成。所述制备方法包括：利用湿法纺膜辅助的溶胶‑凝胶制备技术，制得铆钉结构石墨烯复合水凝胶薄膜，再进行溶剂置换和干燥处理，获得铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜。本发明专利技术的铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜具有较好的机械强度，优异的亲水性，同时能组装成水伏学器件，实现高效盐水发电，且制备工艺简洁，反应条件温和，易操作，成本低，绿色无污染，可实现连续化生产。

【技术实现步骤摘要】
铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜、其制备方法及应用
本专利技术涉及一种石墨烯复合气凝胶薄膜的制备方法，尤其涉及一种铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜及其制备方法与应用，属于纳米能源

技术介绍
气凝胶是通过溶胶-凝胶法和采用特殊的干燥工艺(如超临界流体干燥)，形成一种分散介质为气体的、具有连续三维多孔网络结构的低密度固体材料。自1932年，美国化学家Kistler首次利用超临界流体干燥技术制备得到氧化硅气凝胶，随后，气凝胶作为材料家族的新成员受到人们的关注及研究。随着气凝胶研究手段的不断丰富和基础研究的不断深入，时至今日，越来越多的新型气凝胶不断涌出，气凝胶已经从最初的SiO2气凝胶发展成为庞大的气凝胶家族。如氧化物气凝胶、碳化物气凝胶、氮化物气凝胶、石墨烯气凝胶、量子点气凝胶、聚合物基有机气凝胶、生物质基有机及碳气凝胶等其他种类气凝胶，极大的丰富了气凝胶的家族，扩展了气凝胶的研究领域及应用方向。气凝胶材料具备低密度、高比表面积和高孔隙率等结构特性，使其具有耐高温、低热导率、低折射率和低声传播速度等特殊的光、热、声、电性能，进而在隔热保温、吸附分离、生物医用、光-电催化、储能转化、吸声隔音及高能粒子捕获等诸多领域有着广阔的应用前景，吸引了科研、生产、设计等领域的广泛关注，成为当前材料科学的重点研究领域之一。石墨烯气凝胶薄膜一般是由氧化石墨烯还原成石墨烯并通过自组装而来的具有三维多孔网络结构的宏观膜材料。具有高比表面积、高孔隙率、优异导电性能及电化学行为的材料。氧化石墨烯具有较为良好的凝胶化特性，在制备石墨烯气凝胶过程中，可引入交联剂黏附在氧化石墨烯层上，与其它相邻的层相互连接，形成化学交联来调整石墨烯气凝胶的空间结构与性质。氧化石墨烯凝胶常用的有效交联剂有蛋白质、小分子季铵盐类、DNA、金属离子和具有氢键受体和阳离子电荷的合成聚合物等。这些交联剂可以调节以氧化石墨烯为基础的胶体体系，通过疏水作用、氢键的平衡和静电排斥，形成水凝胶，进而通过干燥技术制得气凝胶。但一般这种方法形成的石墨烯片层搭接的气凝胶结构力学性能和结构稳定性都不足，极大限制了石墨烯气凝胶薄膜的应用拓展。鉴于气凝胶的快速发展和石墨烯气凝胶薄膜功能的受限，迫切需要和提出一种结构新颖和功能优异的气凝胶薄膜的制备方法。例如，四氧化三铁和氧化石墨烯复合气凝胶材料(CN104479174A)和基于纳米四氧化三铁的磁性纤维素和氧化石墨烯复合气凝胶(CN109535485A)，但控制合成特殊结构的石墨烯功能化气凝胶薄膜还具有一定挑战。因此，如何寻求一种合成特殊新颖结构和功能优异的石墨烯功能化气凝胶薄膜的新技术，进而实现操作工艺简单、周期短和成本低的目的，将石墨烯气凝胶薄膜的应用推向新的高度，更好服务社会需求，已然成为业界研究人员长期以来一直努力的方向。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜及其制备方法，以克服现有技术中的不足。本专利技术的另一目的还在于提供所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的应用。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜，它具有连续、规整有序的石墨烯三维多孔网络结构和铆钉结构，所述三维多孔网络结构由石墨烯片层相互搭接构成，所述铆钉结构由羟基氧化铁纳米纤维桥接和贯穿石墨烯片层复合而成。进一步地，所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜具有流体传输性能。进一步地，所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜具有高效盐水发电性能。本专利技术实施例还提供了一种铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的制备方法，其包括以下步骤：利用湿法纺膜辅助的溶胶-凝胶制备技术，制得铆钉结构石墨烯复合水凝胶薄膜；对所述铆钉结构石墨烯复合水凝胶薄膜进行干燥处理，获得铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜。在一些优选实施例中，所述制备方法具体包括：(1)提供包含还原性亚铁金属离子的凝固浴(2)采用湿法纺丝法，将氧化石墨烯液晶注入凝固浴中，使凝固浴中的还原性亚铁金属离子与氧化石墨烯进行还原反应，生成羟基氧化铁纳米纤维，之后进行静置等待化学溶胶-凝胶老化，并通过控制反应温度和时间，让羟基氧化铁纳米纤维生成的动力学和热力学达到可控，实现形貌可控制备，获得具有有序片层结构的铆钉结构石墨烯复合水凝胶薄膜；(3)对步骤(2)获得的铆钉结构石墨烯复合水凝胶薄膜进行溶剂置换、干燥处理，获得铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜。本专利技术实施例还提供了前述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜于水伏学盐水发电领域中的应用。本专利技术实施例还提供了一种水伏学盐水发电器件，其包括：所述的铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜、集流体电极及高分子薄膜封装材料。本专利技术实施例还提供了一种水伏学盐水发电方法，其包括：对所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜、集流体电极及高分子薄膜封装材料进行组装和封装集成，获得水伏学盐水发电器件；将盐水施加于水伏学盐水发电器件的一端，并测试两端电势差。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：1)本专利技术提供的铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的基本结构单元是由羟基氧化铁纳米纤维桥接和贯穿的石墨烯片层，且铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜具有石墨烯纳米片相互搭接形成的三维多孔网络结构；2)本专利技术提供的铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜具有较好的机械强度，表现出优异的亲水性、流体传输性能和器件组装能力，同时能组装成水伏学器件，实现高效盐水发电，可以运用于水伏学盐水发电等领域中的应用；3)本专利技术提供的铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜在水伏学盐水发电等领域中有着重要的应用优势；4)本专利技术提供的铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的制备工艺简洁，反应条件温和，易操作，低能耗，成本低，绿色无污染，可实现大规模连续化生产。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例1所获铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的扫描电子显微镜(SEM)照片；图2是本专利技术实施例2所获铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的透射电子显微镜(SEM)照片；图3是本专利技术实施例3所获铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的扫描电子显微镜(SEM)照片；图4是本专利技术实施例4所获铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的扫描电子显微镜(SEM)照片；图5是本专利技术实施例5所获铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的扫描电子显微镜(SEM)照片；图6是本专利技术实施例6所获铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的扫描电子显微镜(SEM)照片；图7是本专利技术实施例7所获铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的扫描电子显微镜(SEM)照片；图8是本专利技术实施例8所获铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的透射电子显微镜(TEM)照片；图9是本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜，其特征在于，它具有连续、规整有序的石墨烯三维多孔网络结构和铆钉结构，所述三维多孔网络结构由石墨烯片层相互搭接构成，所述铆钉结构由羟基氧化铁纳米纤维桥接和贯穿石墨烯片层复合而成。/n

【技术特征摘要】
1.一种铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜，其特征在于，它具有连续、规整有序的石墨烯三维多孔网络结构和铆钉结构，所述三维多孔网络结构由石墨烯片层相互搭接构成，所述铆钉结构由羟基氧化铁纳米纤维桥接和贯穿石墨烯片层复合而成。


2.根据权利要求1所述的铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜，其特征在于：所述三维多孔网络结构由孔径小于2nm的微孔、孔径为2～50nm的介孔和孔径大于50nm的大孔组成；
和/或，所述羟基氧化铁纳米纤维的长度为50～5000nm，优选为100～500nm；
和/或，所述羟基氧化铁纳米纤维的直径为1～10nm，优选为3～5nm。


3.根据权利要求1所述的铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜，其特征在于：所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的厚度为50～1000μm，优选为100～400μm；
和/或，所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的密度为1～500mg/cm3，比表面积为10～1000m2/g，孔容为0.1～3.0cm3/g；
和/或，所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的拉伸强度为0.02～50Mpa，优选为0.7～2.8Mpa；
和/或，所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜表面与水的静态接触角为0～80°；
和/或，所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜能够在被弯曲、编织或加捻处理时保持铆钉结构不会被破坏。


4.根据权利要求1所述的铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜，其特征在于：所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜具有流体传输性能，其中，所述流体包括水溶液、有机溶液、油水混合物中的任意一种或者两种以上的组合；优选的，所述水溶液包括纯水、金属盐溶液、燃料水溶液、颗粒悬浮物中的任意一种或者两种以上的组合；优选的，所述有机溶液包括乙醇、甲醇、丙酮、正己烷、环己烷、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述油水混合物包括水/油乳液、油/水乳液、油水共溶液中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述流体传输在常压环境、外部压力或者重力辅助下主动或被动进行；
和/或，所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜具有高效盐水发电性能，其中，所述盐包括氯化钠、氯化钾、氯化钙、硫酸钾、硫酸钠、碳酸钾、碳酸钙中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的盐水发电测试的开路电压为0～0.63V；优选的，所述铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的盐水发电测试的功率密度为1～50mW/m2。


5.如权利要求1-4中任一项所述的铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜的制备方法，其特征在于包括：
利用湿法纺膜辅助的溶胶-凝胶制备技术，制得铆钉结构石墨烯复合水凝胶薄膜；
对所述铆钉结构石墨烯复合水凝胶薄膜进行干燥处理，获得铆钉结构石墨烯复合气凝胶薄膜。


6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于具体包括：
(1)提供包含还原性亚铁金属离子的凝固浴；
(2)采用湿法纺丝法，将氧化石墨烯液晶注入凝固浴中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学同，汪伟，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32