石墨烯海绵中石墨烯取向的控制方法及设备技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯海绵中石墨烯取向的控制方法，所述方法步骤如下：(1)、氧化石墨烯分散液配置，并在实验温度下进行热平衡；(2)、实验有序化组装设备搭建，可通过更换侧壁材料，实现温度场的调控；(3)、氧化石墨烯有序化组装，待冷板温度稳定后，将分散液注入冷冻模具中，等待溶液完全冷冻；(4)、冷冻干燥到氧化石墨烯海绵；(5)、水合肼蒸汽化学还原。本发明专利技术制备的石墨烯海绵具有特殊定向结构，并且通过对冷冻腔体侧壁板材进行调控可获得不同定向结构的石墨烯海绵，定向范围大，并且制备得到的石墨烯海绵具有高度各向异性，可以充分发挥石墨烯在平面方向的优异性能，从而在导电、导热和力学领域广泛应用。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯海绵中石墨烯取向的控制方法及设备
本专利技术属于材料制备
，涉及一种石墨烯海绵中石墨烯取向的控制方法及设备，具体涉及一种通过对温度梯度进行设计，制备不同取向结构的石墨烯海绵。
技术介绍
石墨烯是一种碳原子间以sp2杂化形式依靠σ键与π键相结合的形式形成蜂巢状结的一种新型二维材料。它具有独特的六角形晶体结构，碳原子间通过π-π相互作用，形成一个巨大的共轭大π键，由于特殊的键合结构以及二维的特殊形态赋予了石墨烯优异热、电、光、力学等性能。随着人们对轻型高性能材料的关注，特别是航空航天、5G通讯、可穿戴设备等领域对多功能材料的要求，对实现轻质海绵微观结构可控有着进一步的需求。而石墨烯作为二维材料，对搭建宏观体有着天然的优势，如何利用石墨烯的优异性能成为了科学家们研的重点，其中一个战略就是将石墨烯组装成宏观材料，充分发挥石墨烯纳观尺度的多项性能，实现从纳观尺度到宏观尺度的跨越，而定向石墨烯的特殊结构又是最大限度实现石墨烯片层优异的性能的唯一手段。特殊的石墨烯宏观体形貌可以不同程度的优化宏观体性能，使石墨烯海绵具有特殊的性能。目前石墨烯海绵的制备方法包括CVD生长合成、多孔聚合物模板法、化学还原法、水热还原自组装法、高温高压自组装法、冰模板等外力诱导法等。通常利用外力诱导可以促进石墨烯片定向排布，已有的一些研究可以做到对石墨烯海绵的微结构进行两个维度的调控，实现垂直或水平定向，但对制备特殊结构的石墨烯海绵目前还少有研究。本文在平板冷冻的基础上，利用不同热导率材料作为冷冻腔体侧壁，对液体所在温度场进行设计与调控，制备具有定向结构的石墨烯海绵。
技术实现思路
本专利技术为了实现石墨烯片层的定向问题，在平板冷冻的基础上，利用不同导热系数的材料作为冷冻腔体的侧壁来调控液体周围的温度场，提供了一种制备定向结构石墨烯海绵的方法。本文专利技术利用自搭建的冷冻设备实现了不同定向结构的氧化石墨烯海绵制备，对氧化石墨烯海绵进行还原后，制备出了不同定向结构的还原氧化石墨烯海绵。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯海绵中石墨烯取向的控制方法及设备，利用平板冷冻与不同热导率材料作为容器壁调控液体所在温度场方法制备得到了定向的石墨烯海绵。一种石墨烯海绵中石墨烯取向的控制方法，具体步骤包括：(1)、配置稳定氧化石墨烯分散液：将片层大小为5-10微米，浓度为15-20mg/ml氧化石墨烯分散在去离子水中，配置溶液浓度调节为5-15mg/ml的氧化石墨烯溶液，将溶液在频率为10KHz～100KHz下，进行超声处理30min～60min，得到氧化石墨烯分散液，将分散液置于制备环境1-10℃下进行热平衡；(2)、有序化组装设备搭建：选择双层半导体制冷片为冷源，表面覆有铝板作为匀冷层，铝板中夹有PT100贴片热电偶，用于采集温度数据，同时该铝板作为冷冻容器的底部，铝板相对于冷冻容器的外侧通过水冷的方式作为热沉，冷冻模具的主框架为四柱牵拉的两个亚克力板，两亚克力板内壁有开槽，两槽平行，沿中心对称，槽中插入热导相同或者不同的板材进行温度场的调控；(3)、氧化石墨烯有序化组装：在恒温为10℃的环境下，调节冷板温度，利用冷冻的蒸馏水使冷板与模具的底部密闭，形成一个五面体容器，当整个框架温度平衡，在容器内注入氧化石墨烯水性分散液，等待分散液完全冷冻得到氧化石墨烯与冰的冰冻混合物；(4)、冷冻干燥：将氧化石墨烯与冰的冰冻混合物放入冷冻干燥机中，在-108℃冷冻干燥，待完全干燥后得到氧化石墨烯海绵；(5)、化学蒸汽还原：将氧化石墨烯将冷冻干燥的氧化石墨烯放入装有水合肼的密度容器中，在90℃条件下加热24h，去除氧化石墨烯的含氧官能团，然后在100℃下干燥12小时得到还原氧化石墨烯海绵。本专利技术中，所述步骤(1)中氧化石墨烯溶液采用化学法制备而成，具体制备步骤如下：称取4g鳞片石墨置于烧杯中，将400～500ml浓硫酸和40～50ml磷酸倒入烧杯中配制成混合溶液，室温下搅拌30～60min；将烧杯置于水浴中进行水浴加热，将16～20g高锰酸钾分8次分别加入到溶液中，并将溶液在60～70℃下恒温加热，10～20h后取出在室温下冷却；待冷却到室温后，将混合溶液缓慢倒入600～700ml含有6～7ml质量分数为30％的过氧化氢混合冰水中，静置20～30h后，滤去上层清液，取下层溶液进行离心洗涤；最后将洗涤好的氧化石墨烯分散于去离子水中备用，控制氧化石墨烯与去离子水的配比为(5～15)mg：1mL。可选的，上述步骤(2)中，利用平板冷源垂直向上的温度梯度与冷冻腔体侧壁形成的水平温度梯度构成的总温度梯度对溶液的温度场进行调控(利用不同热导率的材料作为冷冻腔侧壁)，从而调节片层的定向方向，制备定向结构的石墨烯海绵。本专利技术中，所述自搭建的有序化组装设备可通过更换侧壁板材材料实现总温度梯度方向的调控。本专利技术中，所搭建有序化组装设备中冷冻系统利用半导体制冷板形成，并在制冷板表面覆盖铝片，冷冻腔体为亚克力板构成的框架，框架两侧可更换不同热导率的板材，可以是金属材料，如铜及铜合金，铝及铝合金等；也可以是塑料材料，碳材料等任意材料作为侧壁。优选地，槽中插入热导相同或者不同的板材进行温度场的调控，其中第1槽和第2槽板材选自铝板、铜板或者不锈钢板。本专利技术中，所搭建设备中利用蒸馏水冷冻实现冷冻腔体与底部冷源的封闭，避免液体外流。本专利技术中，可通过调节冷板初始温度、冷板降温速率、氧化石墨烯分散液浓度、冷冻腔体侧壁板材的材料等调节定向结构。可选的，上述步骤(3)中所述的有序化组装方法适用于其他任意二维纳米材料的有序化组装。本专利技术相对于现有技术具有如下优点：1、本专利技术通过自搭建的设备研制了定向结构的石墨烯海绵，利用底部冷源提供一个向上的温度场，侧壁提供水平的温度场，两个温度场共同作用形成一个具有一定倾斜角的温度场，如图2所示，由此控制冰晶的生长方向，对石墨烯片进行定向调控，获得具有定向结构的石墨烯海绵，使石墨烯海绵具有优异的性能。2、本专利技术所述的对石墨烯取向的控制方法可以对任意二维材料进行有序化组装，应用范围广泛。3、本专利技术制备的石墨烯海绵结构随着侧壁材料热导率不同，石墨烯海绵的结构有所变化，可实现定向结构的调控。4、本专利技术制备的定向海绵可以通过调控冷冻腔尺寸调控海绵尺寸，制备大尺寸高定向石墨烯海绵。附图说明图1是本专利技术实现石墨烯取向控制制备的装置示意图；图2是本专利技术冷冻腔体温度场分布模拟图；图3为本专利技术制备定向石墨烯海绵侧面实物图；图4为实施例1-3制备得到的石墨烯海绵SEM图，a1-a3)实施例1利用304不锈钢得到的石墨烯海绵SEM图，b1-b3)实施例2利用Al板得到的石墨烯海绵SEM图，c1-c3)实施例3利用Cu板得到的石墨烯海绵SEM图；图中，1：制冷板(冷源)，2：金属板-底座，3：亚克力板，4：金属板-侧壁。具体实施方式下面结合实施例和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯海绵中石墨烯取向的控制方法，其特征在于所述方法步骤如下：/n(1)、配置稳定氧化石墨烯分散液：将片层大小为5-10微米，浓度为15-20mg/ml氧化石墨烯分散在去离子水中，配置溶液浓度调节为5-15mg/ml的氧化石墨烯溶液，将溶液在频率为10KHz～100KHz下，进行超声处理30min～60min，得到氧化石墨烯分散液，将分散液置于制备环境1-10℃下进行热平衡；/n(2)、有序化组装设备搭建：选择双层半导体制冷片为冷源，表面覆有铝板作为匀冷层，铝板中夹有PT100贴片热电偶，用于采集温度数据，同时该铝板作为冷冻容器的底部，铝板相对于冷冻容器的外侧通过水冷的方式作为热沉，冷冻模具的主框架为四柱牵拉的两个亚克力板，两亚克力板内壁有开槽，两槽平行，沿中心对称，槽中插入热导相同或者不同的板材进行温度场的调控；/n(3)、氧化石墨烯有序化组装：在恒温为10℃的环境下，调节冷板温度，利用冷冻的蒸馏水使冷板与模具的底部密闭，形成一个五面体容器，当整个框架温度平衡，在容器内注入氧化石墨烯水性分散液，等待分散液完全冷冻得到氧化石墨烯与冰的冰冻混合物；/n(4)、冷冻干燥：将氧化石墨烯与冰的冰冻混合物放入冷冻干燥机中，在-108℃冷冻干燥，待完全干燥后得到氧化石墨烯海绵；/n(5)、化学蒸汽还原：将氧化石墨烯将冷冻干燥的氧化石墨烯放入装有水合肼的密度容器中，在90℃条件下加热24h，去除氧化石墨烯的含氧官能团，然后在100℃下干燥12小时得到还原氧化石墨烯海绵。/n...

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯海绵中石墨烯取向的控制方法，其特征在于所述方法步骤如下：
(1)、配置稳定氧化石墨烯分散液：将片层大小为5-10微米，浓度为15-20mg/ml氧化石墨烯分散在去离子水中，配置溶液浓度调节为5-15mg/ml的氧化石墨烯溶液，将溶液在频率为10KHz～100KHz下，进行超声处理30min～60min，得到氧化石墨烯分散液，将分散液置于制备环境1-10℃下进行热平衡；
(2)、有序化组装设备搭建：选择双层半导体制冷片为冷源，表面覆有铝板作为匀冷层，铝板中夹有PT100贴片热电偶，用于采集温度数据，同时该铝板作为冷冻容器的底部，铝板相对于冷冻容器的外侧通过水冷的方式作为热沉，冷冻模具的主框架为四柱牵拉的两个亚克力板，两亚克力板内壁有开槽，两槽平行，沿中心对称，槽中插入热导相同或者不同的板材进行温度场的调控；
(3)、氧化石墨烯有序化组装：在恒温为10℃的环境下，调节冷板温度，利用冷冻的蒸馏水使冷板与模具的底部密闭，形成一个五面体容器，当整个框架温度平衡，在容器内注入氧化石墨烯水性分散液，等待分散液完全冷冻得到氧化石墨烯与冰的冰冻混合物；
(4)、冷冻干燥：将氧化石墨烯与冰的冰冻混合物放入冷冻干燥机中，在-108℃冷冻干燥，待完全干燥后得到氧化石墨烯海绵；
(5)、化学蒸汽还原：将氧化石墨烯将冷冻干燥的氧化石墨烯放入装有水合肼的密度容器中，在90℃条件下加热24h，去除氧化石墨烯的含氧官能团，然后在100℃下干燥12小时得到还原氧化石墨烯海绵。


2.根据权利要求1所述一种石墨烯海绵中石墨烯取向的控制方法，其特征在于利用平板冷源垂直向上的温度梯度与冷冻腔体侧壁形成的水平温度梯度构成的总温度梯度对溶液的温度场进行调控(利用不同热导率的材料作为冷冻腔侧壁)，从而调节片层的定向方向，制备定向结构的石墨烯海绵。


3.根据权利要求1所述一种石墨烯海绵中石墨烯取向的控制方法，其特征在于步骤(1)中所述氧化石墨烯溶液的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宜彬，林在山，王沙沙，赫晓东，杜善义，
申请(专利权)人：深圳烯创先进材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44