功能性二维材料气凝胶复合微球及其宏量制备方法技术

本发明专利技术提供一种功能性二维材料气凝胶复合微球及其宏量制备方法，将二维材料分散于水中，超声搅拌，加入有机配体共混超声搅拌得到稳定分散液，将对应功能性盐溶解于去离子水中作为接受浴，然后加入有机溶剂于盐溶液；稳定分散液装入喷雾系统，将接收浴放置于喷雾系统正下方；得到的固状微球通过筛网过滤、清洗并冷冻，置于冷冻干燥得到二维材料气凝胶微球或功能性二维材料气凝胶复合微球。本发明专利技术使用喷雾

【技术实现步骤摘要】
功能性二维材料气凝胶复合微球及其宏量制备方法


[0001]本专利技术属于功能材料领域，具体涉及功能性二维材料气凝胶复合微球及其宏量制备方法。

技术介绍

[0002]以石墨烯为例，将二维石墨烯组装成三维宏观结构是一种常用的能利用石墨烯单层性能和功效的有效策略。气凝胶，水凝胶，有机凝胶等是这些三维结构的常用表现方式，其中，气凝胶是一种3D宏观固体网络，它具有多层次的孔大小和孔径分布，以及轻的密度和高的比表面积，可以满足快速传质的需求。
[0003]将石墨烯制备成气凝胶微球，在催化剂载体、填充剂、水处理、高效吸附、能源材料等具有潜在的应用前景。
[0004]若将二维材料负载上特定功能的离子，保持二维材料微球自身功能的同时赋予其新的功能，实现1+1大于2的作用，将极大地拓宽二维材料气凝胶微球的应用场所，若将石墨烯微球负载上镁离子，石墨烯和镁离子的双重生物活性将极大地促进骨增长，在生物医学方向有巨大的应用价值；若将石墨烯微球负载上钴离子，在高温下将其还原成金属粒子，就以极低的成本制备成了金属石墨烯基复合材料，在电磁学、吸波材料等军事领域具有很大的潜在应用.
[0005]但由于气凝胶本身的结构特点(孔隙率超过90％)和物理性质(轻质)，常规的球磨分散等机械方法无法得到规则的二维材料气凝胶微球；另一方面，报道过的通过静电纺丝喷射冷冻成型二维材料气凝胶微球的生产工艺中需要用到大量的乙酸乙酯、正己烷和液氮，既会造成环境污染又极其消耗能量，而在此之上，我们课题组在先前的工作中利用静电纺丝技术已将二维材料气凝胶微球赋予磁响应的能力，能极大的提升提高二维材料在环境和能源催化等领域的应用潜力，在常温下制备的凝胶形型气凝胶微球虽具较好的形貌但存在生产速率慢、为求尺寸过大的问题，在某些领域应用受限，一台数十万的静电纺丝机连续生产一天最多只能制备数克，且尺寸较大，无法满足工业生产和实际应用的尺寸匹配及剂量需求。
[0006]所以，从当今生产制备和应用前景来看，二维材料气凝胶微球的功能性不够多样、尺寸控制不够小、生产效率不够高、应用场合不够广。
[0007]因此，一种能在极其简单的生产条件下可工业化大批量生产的具有特定功能的二维材料气凝胶微球制备方法亟待建立。

技术实现思路

[0008]本专利技术目的包括：
[0009]提供一种能简单的在室温下可制备的具有功能性的二维材料气凝胶微球；
[0010]提供一种具有功能性二维材料气凝胶复合微球及其宏量制备方法，该方法制备效率为所有方法中最快，成本最低，所得的气凝胶微球形貌规则，大小可筛，具有多孔网络结
构，密度小，在不同应用场合可根据不同的负载离子进行制备。
[0011]具体的技术方案为：
[0012]功能性二维材料气凝胶复合微球，其制备方法，包括以下步骤：
[0013](1)准备或制备400目以下的二维材料，将该种二维材料分散于水中，超声搅拌5h，保持稳定不沉降2h，然后加入有机配体共混超声搅拌2h；
[0014](2)将对应功能性盐溶解于一定量的去离子水中作为接受浴，然后加入一定量的有机溶剂于盐溶液，并搅拌1h；
[0015](4)将步骤(1)所制备的稳定分散液装入喷雾系统，控制2
‑
5米喷雾距离，喷雾系统功率为500w，喷雾系统雾滴粒径范围在1
‑
200um；并将所制备接收浴放置于喷雾系统正下方；
[0016](5)将步骤(4)得到的固状微球通过筛网过滤、清洗并冷冻，置于冷冻干燥机中冻干两日得到二维材料气凝胶微球或功能性二维材料气凝胶微球。
[0017]还包括：
[0018](6)将步骤(5)所得二维材料气凝胶微球用高温热还原法还原，得到功能化二维材料气凝胶微球。
[0019]其中，步骤(1)中所述二维材料为石墨烯(GN)类：单层石墨烯、多层石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯；拓扑绝缘体(TI)类：Bi2Se3、Bi2Te3；过渡金属硫化物(TMDCs)类：CaPS3、CoPS3、FePS3、FeSe、GaS、GaSe、GaTe、GeS、SnS2、SnSe、TaS2、TaB2、TaS2、TaS3、TaS3、TaSe2、TiS2、Tl2S、WS2、WSe2、ZnPS3、InSe、MnPS3、MoS2、MoSe2ReS2、ReSe2、；MXene类：Ti
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C
n
、Nb
n+1
C
n
、V
n+1
C
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、Mo
n+1
C
n
；以及VB2、MgB2、MoTe2、NbB2、PdTe2、PtTe、Sb2Te3中的一种或多种组合。
[0020]步骤(1)中所述有机配体选自一切具有羧基、磷酰基、羟基、硫酸酯基、氨基和酰胺基可与金属离子配位的小分子或高分子：聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、聚氧乙烯、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、淀粉、多糖、甲壳质、醋酸纤维素钠；或者为具有羧基、磷酰基、羟基、硫酸酯基、氨基和酰胺基的高分子中的任一种或多种以上的组合。
[0021]步骤(1)中的去离子水、二维材料、有机配体的质量比为：100
‑
110份：1
‑
2份：1
‑
2份；步骤(3)中的盐、去离子水质量比为：3
‑
30份：70～97份。
[0022]步骤(2)中所述盐为草酸钙、碳酸钙、磷酸钙、葡萄糖酸钙、磷酸氢钙、乳酸钙、卤化钙、硝酸钙、氯酸钙、高氯酸钙、碳酸氢钙、磷酸二氢钙；硝酸镁、氯化镁、硫酸镁；乙酸钴、乙酸镍、乙酸铁、盐酸钴、盐酸镍、盐酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铁、硫酸钴、硫酸镍、硫酸铁中的一种或多种组合。
[0023]步骤(2)中所述有机溶剂为乙酸、丙酮、乙腈、DMF、DMSO、二氧六环、乙醇、甲醇、异丙醇、异丙醇、四氢呋喃中的任一种或多的组合。
[0024]步骤(6)中所述的高温热还原法为：将获得的的二维材料气凝胶微球放置在高温环境中惰气氛围下800℃退火2
‑
5h。
[0025]本专利技术所得的功能性二维材料气凝胶复合微球是由二维材料为基体，有机(或高分子)配体以及钙、镁、铁、钴、镍离子为功能性配位离子的多孔气凝胶微球；或者，本专利技术功能性二维材料气凝胶复合微球是指以二维材料、碳材料以及金属离子或金属颗粒组成的多孔气凝胶微球。
[0026]本专利技术制备方法中，最初投料质量比是二维材料在0.5～2份，高分子添加剂在0.5～2份,去离子水在80～120份,用喷雾法形成微球，以有机溶剂和特定的盐溶液(含有钙、镁、铁、钴、镍)作为接收浴，形成微球后通过过滤洗涤可以除去表面多余的盐溶液，只留下二维材料和高分子添加剂以及钙、镁、铁、钴、镍元素组成的二维材料水凝胶微球。经过冷冻并干燥赋予其气凝胶一般的多孔结构(并热退火还原二维材料后)即可得到二维材料和高分子添加剂以及钙、镁、铁、钴、镍元素组成的具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.功能性二维材料气凝胶复合微球的宏量制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)准备或制备400目以下的二维材料，将该二维材料分散于水中，超声搅拌5h，保持稳定不沉降2h，然后加入有机配体共混超声搅拌2h；(2)将对应功能性盐溶解于一定量的去离子水中作为接受浴，然后加入一定量的有机溶剂于盐溶液，并搅拌1h；(4)将步骤(1)所制备的稳定分散液装入喷雾系统，控制2
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5米喷雾距离，喷雾系统功率为500w，喷雾系统雾滴粒径范围在1
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200um；并将接收浴放置于喷雾系统正下方；(5)将步骤(4)得到的固状微球通过筛网过滤、清洗并冷冻，置于冷冻干燥机中冻干两日得到二维材料气凝胶微球或功能性二维材料气凝胶微球。2.根据权利要求1所述的功能性二维材料气凝胶复合微球的宏量制备方法，其特征在于，还包括：(6)将步骤(5)所得二维材料气凝胶微球用高温热还原法还原，得到功能化二维材料气凝胶微球。3.根据权利要求1所述的功功能性二维材料气凝胶复合微球的宏量制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述二维材料为以下物料中的一种或多种组合：石墨烯GN类：单层石墨烯、多层石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯；拓扑绝缘体TI类：Bi2Se3、Bi2Te3；过渡金属硫化物TMDCs类：CaPS3、CoPS3、FePS3、FeSe、GaS、GaSe、GaTe、GeS、SnS2、SnSe、TaS2、TaB2、TaS2、TaS3、TaS3、TaSe2、TiS2、Tl2S、WS2、WSe2、ZnPS3、InSe、MnPS3、MoS2、MoSe2ReS2、ReSe2、；MXene类：Ti
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、V
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；以及VB2、MgB...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏和生，蔡易凡，欧阳豪，郭权芬，王占华，费国霞，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：