本发明专利技术涉及一种超轻、超弹性、高导电三维多孔石墨烯材料及其制备方法，所述超轻、超弹性、高导电三维多孔石墨烯材料的制备方法，包括：在氧化石墨烯溶液中加入作为交联剂的羟基乙酸，得到混合溶液；将所得混合溶液在100～150℃下水热反应后置于水醇溶液中，再经过冷冻干燥，得到所述三维多孔石墨烯材料。得到所述三维多孔石墨烯材料。得到所述三维多孔石墨烯材料。
【技术实现步骤摘要】
一种超轻、超弹性、高导电三维多孔石墨烯材料及其制备方法
[0001]本专利技术涉及一种超轻、超弹性、高压缩三维多孔石墨烯材料及其制备方法，属于三维石墨烯领域。
技术介绍
[0002]自从2004年英国曼彻斯特大学两位科学家发现石墨烯，石墨烯是由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面结构，其独特的晶体结构使得石墨烯具有优异的电学，光学和机械性能，因此将二维石墨烯纳米片组装成三维结构近年来引起了广泛关注。三维多孔石墨烯结构结合了石墨烯优异的固有特性和三维多孔结构的特点，有着优异的力学和电学性能。
[0003]由石墨烯纳米片组装而成的宏观三维多孔石墨烯材料具有强机械强度、高度交联的多孔结构、可逆形变、可调谐电子输运和许多其它优异的性质。这也促进了三维多孔石墨烯材料在传感器、能量储存和转换、催化和环境吸附剂等方面的实际应用。然而，兼具超轻、可逆压缩弹性、强机械强度和高导电特性这几个特点的三维多孔石墨烯材料的制备仍然面临着巨大的挑战。
[0004]为了制备超轻，高弹性，高导电性的三维多孔石墨烯，为在环境保护和储能等方面进一步应用提供了思路。最近几年来，三维多孔石墨烯的制备方法的改进得到了很多科研工作者的关注，并且很多有意义的工作在这方面取得了重大突破。比如，模板辅助制备法已经被证明是很有效的一种方法，通过化学气相沉积在三维模板(如泡沫镍，二氧化硅模板等) 上直接生长石墨烯来获得三维多孔石墨烯材料
[1],[2]。然而，模板法存在实验条件复杂，成本高，放大制备困难等问题。此外，通过各种键合方式的自组装方法取得了突破性进展
[3],[4]，实现了从纳米石墨烯片到宏观三维石墨烯块体的制备。包括乙二胺，聚乙烯吡咯烷酮等含氧或含氮官能团的交联剂可以通过与氧化石墨烯纳米片的聚合物链形成许多氢键，利用键合力促进氧化石墨烯的自组装，从而进行凝胶化，组装成三维结构。但是缺点是现在用的较多的交联剂有一定的毒性而且这种方法制备出来的三维石墨烯块体的弹性等力学性能和导电性能均不理想。因此，寻求出更加简易可行，绿色环保的制备具有高弹性，高导电性的三维多孔石墨烯材料的方法具有重大的科研意义与实际应用需求。
[0005]参考文献[1]Z.P.Chen,W.C.Ren,L.B.Gao,B.L.Liu,S.F.Pei,et al.,Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition,Nat.Mater.10 (2011)424-428.[2]H.Bi,I.W.Chen,T.Q.Lin,F.Q.Huang,A new tubular graphene form of a tetrahedrally connected cellular structure,Adv Mater.27(2015)5943-5949.[3]J.H.Li,J.Y.Li,H.M,S.Y.Xie,B.W.Zhang,et al.,Ultra-light,compressible and fire-resistant graphene aerogel as a highly efficient and recyclable absorbent for organic liquids,J.Mater.Chem. A.2(2014)2934-2941.
[4]B.Y.Gao,Mulenga Kalulu,Olayinka Oderinde,J.Mei,L.L.Ren,Synthesis of three
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dimensional graphene architectures by using an environmental-friendly surfactant as a reducing agent,Int.J.Hydrogen Energy.42(2017)18196-18202.。
技术实现思路
[0006]为此，本专利技术提供了一种超轻、超弹性、高导电三维多孔石墨烯材料及其制备方法。
[0007]一方面，本专利技术提供了一种超轻、超弹性、高导电三维多孔石墨烯材料的制备方法，包括：在氧化石墨烯溶液中加入作为交联剂的羟基乙酸，得到混合溶液；将所得混合溶液在100～150℃下水热反应后置于水醇溶液中，再经过冷冻干燥，得到所述三维多孔石墨烯材料。
[0008]在本公开中，采用水热还原法制备了三维多孔石墨烯材料。首次使用了绿色无毒无害的羟基乙酸作为交联剂。首先，在水热过程的自组装过程中，羟基乙酸首先发生自缩合反应，形成不同分子量的聚羟基乙酸聚合物，通过大量的氢键与氧化石墨烯纳米片交联制备石墨烯水凝胶。之后，为了获得超弹性三维多孔石墨烯材料，后处理需要所形成的水凝胶在水醇溶液(例如，乙醇水溶液等)中彻底清洗和浸泡。利用水醇溶液(例如，乙醇水溶液等) 清洗和浸泡处理是为了降低结构毛细管压力，防止水凝胶在冷冻过程中因为冰晶的产生而发生体积膨胀所造成的结构破坏，而保持石墨烯三维多孔结构的一种可行而有效的方法。最后通过冷冻干燥过程，得到三维多孔石墨烯材料。
[0009]较佳的，所述氧化石墨烯溶液是利用改良的Hummers方法合成。
[0010]较佳的，所述混合溶液中羟基乙酸的浓度为0.5～4mg/mL，优选为1～2mg/mL，更优选为1mg/mL；所述混合溶液中氧化石墨烯的浓度为2～20mg/mL，优选为4mg/mL；更优选地，所述羟基乙酸和氧化石墨烯的质量比为1：(2～6)。
[0011]较佳的，所述水热反应的时间为4～16小时，优选为12小时。
[0012]较佳的，所述水醇溶液中醇选自乙醇、乙二醇和丙醇中的至少一种；所述水醇溶液中醇的浓度为0～50wt％，优选为20wt％。
[0013]较佳的，所述冷冻干燥温度为-5℃～-60℃，气压为1pa，时间为24～36小时。
[0014]再一方面，本专利技术还提供了一种根据上所述的制备方法制备的超轻、超弹性、高导电三维多孔石墨烯材料，所述三维多孔石墨烯材料的密度在4.3mg/cm3～25.3mg/cm3，弹性模量为13.7～125.1kPa，体积为6.5～300cm3，电导率为32.3～98.1S/m。
[0015]有益效果：本专利技术中，羟基乙酸作为交联剂无毒无害，清洁环保；本专利技术可有效使得大量氢键与氧化石墨烯纳米片交联并进行自组装，有利于制备超轻，高弹性，高导电性的三维多孔石墨烯材料；本专利技术在后处理中通过在水醇溶液中浸泡，能有效地降低结构毛细管压力，防止水凝胶在冷冻过程中发生体积膨胀，而保持石墨烯三维多孔结构的一种可行而有效的方法；本专利技术制备出三维多孔石墨烯材料可以放大制备，体积可放大到300cm3。弹性模量最高可达125.1kPa，电导率最高可达98.1S/m，力学和电学性能优异，有利于三维多孔石墨烯
材料的实际应用以及工业化生产。
附图说明
[0016]图1为实本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种超轻、超弹性、高导电三维多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于，包括：在氧化石墨烯溶液中加入作为交联剂的羟基乙酸，得到混合溶液；将所得混合溶液在100～150℃下水热反应后置于水醇溶液中，再经过冷冻干燥，得到所述三维多孔石墨烯材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯溶液是利用改良的Hummers方法合成。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中羟基乙酸的浓度为0.5～4 mg/mL，优选为1 mg/ mL；所述混合溶液中氧化石墨烯的浓度为2～20 mg/mL，优选为4 mg/mL；更优选地，所述羟基乙酸和氧化石墨烯的质量比为1：（2～6）。4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄富强，钱佳豪，毕辉，
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：
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