一种石墨烯气凝胶的改性方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯气凝胶的改性方法，包括：（1）在氧化石墨烯分散液中依次加入还原剂和改性剂后，在85～95℃下保温6～10小时，得到石墨烯水凝胶，所述改性剂为二氧化硅前驱体，优选为正硅酸乙酯TEOS、硅酸钠、硅酸钾中的至少一种；（2）将所得石墨烯水凝胶经洗涤后，置于醇水溶液中渗析处理4～6小时；（3）将渗析处理后的石墨烯水凝胶经冷冻干燥后，得到石墨烯气凝胶。气凝胶。气凝胶。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯气凝胶的改性方法


[0001]本专利技术涉及一种石墨烯气凝胶的改性方法，属于石墨烯气凝胶的制备和应用领域。

技术介绍

[0002]室内空气污染已经成为严重危害人类健康的“隐形杀手”。室内装修材料以及家具使用的人造木板在遇热、潮解时，胶粘剂中的甲醛就会释放出来。其他一些装饰材料，如墙布、地毯等也会释放甲醛，用甲醛做防腐剂的涂料、化纤织物、化妆品、地板胶等产品，也可缓慢释放甲醛。每支香烟的烟雾中也含甲醛20-88微克。此外，还有少量甲醛来自室外的工业废气、汽车尾气及光化学烟雾等。在酷暑或者寒冬季节，房间密闭，空气不流通，人们会感觉到室内空气质量很差。据统计，室内空气污染比室外高5-10倍，污染物多达500多种，包括甲醛、苯、二甲苯等有机物和氨、放射性氡等。人们平均每天大约有80％以上的时间是在室内度过。由于接触时间长，累积接触量很高。尤其是老、幼、病、残等体弱人群，户外活动机会更少，室内空气质量的好坏对他们影响更大。目前室内空气污染已经被列为对公众健康危害最大的五种环境因素之一。
[0003]室内污染物气体的消除方法主要有吸附法和催化氧化法，吸附技术成本低、且易于大规模应用。碳基吸附剂如活性炭、多孔碳球、石墨烯、碳纳米管等材料受到了较多的关注，其中，石墨烯气凝胶因其广泛的可用性、较大的比表面积、较高的化学稳定以及易于设计的孔隙结构，被认为是最有潜力的碳基吸附剂之一。石墨烯气凝胶可有效吸附甲醛、甲苯、甲醇、甲烷以及SO2、CO2等多种气体。为了进一步提高石墨烯气凝胶的吸附能力，人们对石墨烯气凝胶的改性进行了大量的研究。如将石墨烯气凝胶与硅倍半氧烷混合，以提高其对CO2的捕获能力；利用Si和N掺杂提高石墨烯气凝胶对CO2和SO2的吸附能力；通过将石墨烯气凝胶直接浸渍于聚二甲基硅氧烷(PDMS)中并通过固化已获得高弹性和机械强度的改性石墨烯气凝胶；通过水蒸汽活化处理提高石墨烯气凝胶的BET表面积和孔隙率，从而提高其对甲苯的吸附能力等。但目前改性剂所得石墨烯气凝胶的改性剂分布不均，且易产生聚集，致使其气孔孔径变化较大，所得石墨烯气凝胶的吸附能力仍然较低，仍需进一步改进。

技术实现思路

[0004]针对目前石墨烯气凝胶吸附性能不高的问题，本专利技术首次采用特定改性剂的方法来提升石墨烯气凝胶的吸附性能，提供了一种石墨烯气凝胶的改性方法，包括：(1)在氧化石墨烯分散液中依次加入还原剂和改性剂后，在85～95℃下保温6～10小时，得到石墨烯水凝胶，所述改性剂为二氧化硅前驱体，优选为正硅酸乙酯TEOS、硅酸钠、硅酸钾中的至少一种；(2)将所得石墨烯水凝胶经洗涤后，置于醇水溶液中渗析处理4～6小时；(3)将渗析处理后的石墨烯水凝胶经冷冻干燥后，得到石墨烯气凝胶。
[0005]在本公开中，首次将改性剂(无机TEOS、硅酸钠、硅酸钾等)和还原剂(引入初始氧
化石墨烯分散液中，在对石墨烯气凝胶还原的同时进行改性，制备具备较高吸附能力的石墨烯气凝胶。该改性剂可在水溶液中发生溶解或者水解反应形成硅醇，从而均匀地分散在前驱体溶液。其次，该改性剂可在水凝胶形成过程中与GO表面的含氧官能团反应，从而增强石墨烯片之间的共价连接，同时改善石墨烯气凝胶的孔径分布，可将平均孔径由33nm减小至10.3nm。此外，改性剂分子之间的脱水缩合形成的SiO2网络在石墨烯气凝胶的孔壁表面原位形成一层疏水性的薄膜，改善了表面润湿性，将润湿角由103
°
提高至131
°
。因此，采用本专利技术提出的改性剂，可以在较温和的条件下实现石墨烯气凝胶的力学性能以及吸附性能的提升，为高性能石墨烯气凝胶的制备奠定了基础。
[0006]较佳的，所述氧化石墨烯分散液的浓度为1～4mg/mL。
[0007]较佳的，所述还原剂为乙二胺EDA、抗坏血酸、聚乙烯亚胺、聚醚胺和水合肼中的至少一种；所述氧化石墨烯分散液和还原剂的用量比为(250～1000)ml：1ml。
[0008]较佳的，所述改性剂和氧化石墨烯的质量比为(1～10):1。
[0009]较佳的，所述醇水溶液中醇与水的体积比为1：(2～9)，优选为1:9；优选地，所述醇为乙醇、甲醇、丙醇和丙酮中的至少一种。
[0010]较佳的，所述，所述冷冻干燥包括预冷冻处理和干燥处理。
[0011]较佳的，所述预冷冻处理的温度为-20～-80℃，时间为4～12小时；所述干燥处理的温度为-40～-80℃，时间为48～60小时。
[0012]较佳的，所述氧化石墨烯的层数为1～2层，片径大小为0.2～10μm。
[0013]另一方面，本专利技术还提供了一种根据上述的改性方法制备的石墨烯气凝胶。
[0014]再一方面，本专利技术还提供了一种上述石墨烯气凝胶在苯系物气体吸附中的应用。
[0015]有益效果：本专利技术提出一种低成本、易操作、可有效提升石墨烯气凝胶力学性能与吸附性能的改性剂。该方案在相对较低的温度下进行，改性剂可有效改善石墨烯片的连接状态，调整石墨烯气凝胶的孔隙结构与表面性能，大大提升其吸附能力。本专利技术提出的低温改性方案，工艺简单可靠，成本低、容易操作。适合于高性能石墨烯气凝胶的制备。
附图说明
[0016]图1为实施例3中所得石墨烯气凝胶KS-3的光学照片，从图中可知所制备的气凝胶形状规则，表面光滑；图2为实施例3中所得石墨烯气凝胶KS-3的断面低倍SEM图，从图中可知所制备的气凝胶的内部孔径分布均匀；图3为实施例1中所得石墨烯气凝胶的BJH孔径分布图，其中a为GA、b为TEOS-1和c为TEOS-3，从图中可知选用正硅酸乙酯作为改性剂能够明显的降低材料的孔径分布；图4为实施例1中水在石墨烯气凝胶表面的接触角照片，a为GA(103.27)
°
，b为TEOS-3(131.71
°
)，从图中可知选用正硅酸乙酯作为改性剂能够明显的提高材料的水接触角。
具体实施方式
[0017]以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。
[0018]在本公开中，本专利技术采用特定的改性剂(低成本的二氧化硅前驱体)改性石墨烯气凝胶，可以在较温和的条件下同时实现石墨烯气凝胶的力学性能及吸附性能的提升，工艺简单可靠，成本低。具体来说，该改性剂在氧化石墨烯前驱体溶液中溶解/水解与缩合，形成SiO2网络促进石墨烯片之间的有效交联，增强石墨烯气凝胶骨架。另一方面，SiO2网络改善了石墨烯气凝胶的孔径结构与表面润湿性，大大提高了其吸附性能。以下示例性地说明石墨烯气凝胶的改性方法。
[0019]将氧化石墨烯粉体分散在去离子水中超声分散，得到氧化石墨烯分散液。所得氧化石墨烯分散液的浓度为1～4mg/ml。超声分散后，所得氧化石墨烯的层数为1～2层、片径大小0.2～10μm、纯度96％。
[0020]在氧化石墨烯分散液中依次添加还原剂与改性剂，在85～95℃下保温6～10小时，在此过程中在搅拌时改性剂发生水解反应生成硅醇(-OH)，保温过程中，硅醇上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯气凝胶的改性方法，其特征在于，包括：（1）在氧化石墨烯分散液中依次加入还原剂和改性剂后，在85～95℃下保温6～10小时，得到石墨烯水凝胶，所述改性剂为二氧化硅前驱体，优选为正硅酸乙酯TEOS、硅酸钠、硅酸钾中的至少一种；（2）将所得石墨烯水凝胶经洗涤后，置于醇水溶液中渗析处理4～6小时；（3）将渗析处理后的石墨烯水凝胶经冷冻干燥后，得到石墨烯气凝胶。2.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，所述氧化石墨烯分散液的浓度为1～4mg/mL。3.根据权利要求1或2所述的改性方法，其特征在于，所述还原剂选自乙二胺EDA、抗坏血酸、聚乙烯亚胺、聚醚胺和水合肼中的至少一种；所述氧化石墨烯分散液和还原剂的用量比为（250～1000）ml：1ml。4.根据权利要求1-3中任一项所述的改性方法，其特征在于，所述改性剂和氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：张景贤，李晶晶，段于森，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：