一种以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶及其制备方法技术

一种以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶及其制备方法，所述石墨烯气凝胶中，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯以单层或多层结构搭载于碳化糖的三维骨架上；所述石墨烯气凝胶的平均孔径为0.1～5.0μm，比表面积为60～100m2/g，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯的质量含量为3～5%。所述制备方法为：（1）将糖碳源、氧化石墨烯和催化剂混合后，加入水中，搅拌溶解，干燥，得碳素混合物；（2）在火焰中快速加热扩孔，洗涤，即成。本发明专利技术石墨烯气凝胶原料易获取，所得气凝胶气泡孔径分布均匀、分布的石墨烯为单层，对低浓度气体的气敏性能好、气体吸附脱附快。本发明专利技术方法简单，可重复性高，经济环保，适宜于大规模工业化生产。大规模工业化生产。大规模工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种石墨烯气凝胶及其制备方法，具体涉及一种以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶及其制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯具有二维共轭结构、高比表面积、高电导率、合成方法多样、对气体分子引起的电干扰敏感等优点，它已被证明是一种很有前途的高性能气体检测材料。但石墨烯材料的性质往往取决于其二维片层的排列方式，石墨烯固有的大π键共轭结构使其倾向于堆叠，因此，要做成吸附、催化和超级电容器等，往往需要极高的比表面积，这就希望石墨烯的片层之间相互分离，形成立体三维结构。
[0003]石墨烯气凝胶的结构多种多样，以基于氧化石墨烯的组装方式比较常见，能够大规模，而且以相对较低的成本制备，目前主要的方法有自组装和模板法。
[0004]（1）自组装合成法步骤简单，如通过水热自组装法，氧化石墨烯溶液在90～180℃下在高压反应釜中进行水热处理，或者通过冷冻干燥法后即可获得气凝胶结构。但是，该方法制备的气凝胶也会造成部分石墨烯片层的堆积。
[0005]（2）模板法是将石墨烯片层搭载在三维模板上，这种方法制备的氧化石墨烯气凝胶具有极高的比表面积，一般可用作超级电容器等器件的制备，但是，由于模板法制备的氧化石墨烯工艺很复杂，而且模板去除比较繁琐，模板的生产过程以及去除过程会产生很多有害废液。
[0006]CN108147399A公开了一种三维石墨烯氧化镍传感器材料的制备方法，是将三维石墨烯与氧化镍结合，有助于改善氧化镍的表面形态，增强了传感器检测的灵敏度。虽然该方法制备工艺简单，通过提高材料比表面积和表面活性空位提高了响应效率，但是，泡沫镍的空洞较大，不利于石墨烯的搭载，其石墨烯片层相互堆叠，不是单层，不适合用于检测较低浓度的气体。
[0007]CN102718210A公开了一种氧化石墨烯三维自组装气凝胶的制备方法及应用，是将糖和石墨烯混合后制备气凝胶。但是，该方法会造成糖粘附在石墨烯表面，对石墨烯的性能具有抑制作用。
[0008]CN111874892A公开了一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用，是采用氧化石墨烯和交联剂作用生成石墨烯气凝胶。但是，由于交联剂的加入，可能会将氧化石墨烯包裹在交联剂内不利于气敏传感，且该工艺所使用的有机溶剂对环境影响较大。
[0009]Yavari等人（Scientific Reports, 2011,1 (1) 166）使用多孔泡沫镍支架作为沉积石墨烯的模板制备了一种3D石墨烯泡沫，化学气相沉积（CVD）是在1000℃的环境下，通过CH4分解在泡沫镍上沉积碳原子，然后用盐酸溶液进行化学蚀刻去除镍支架；为了在镍蚀刻过程中保持泡沫的完整性，并防止其坍塌，还在泡沫镍上形成的石墨烯表面沉积了一层薄薄的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）；在最后一步中，PMMA层被热丙酮溶解，形成独立的三维石墨烯网络结构。虽然所得材料在20ppm NO2的浓度下，于400s时，可以达到动态响应平衡，此
时灵敏度约为4%，但是，该方法制备复杂，并且伴随大量有毒有害物质的产生。
[0010]Wang等人（Nature Communications, 2013, 4 (4), 2905）公开了一种吹糖法使用葡萄糖和NH4Cl作为发泡剂快速加热制备石墨壁的方法，使聚合物流体通过表面张力流出，并逐渐变薄气泡壁，最终在1350℃的高温下形成石墨壁。但是，此方法产生的石墨壁仍然很厚，并且无法确保在所有框架上形成石墨壁；此外，与单层石墨烯相比，此类石墨烯薄膜不适用于实际的电子化学传感器。
[0011]综上所述，上述方法过程均过于复杂，所得石墨材料片层堆叠，对低浓度气体的灵敏度较低，亟待找到一种原料易获取，所得气凝胶气泡孔径分布均匀、分布的石墨烯为单层，对低浓度气体的气敏性能好、气体吸附脱附快，可重复性高，经济环保，简单方便的方法来制备三维石墨烯泡沫塑料，作为商用气敏材料。
[0012]目前，还没有以碳化蔗糖形成的三维骨架用于搭载石墨烯制备气凝胶的相关报道。

技术实现思路

[0013]本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种原料易获取，所得气凝胶气泡孔径分布均匀、分布的石墨烯为单层，对低浓度气体的气敏性能好、气体吸附脱附快的以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶。
[0014]本专利技术进一步要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种方法简单，可重复性高，经济环保，适宜于大规模工业化生产的以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶的制备方法。
[0015]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶，所述石墨烯气凝胶中，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯以单层或多层结构搭载于碳化糖的三维骨架上；所述石墨烯气凝胶的平均孔径为0.1～5.0μm，比表面积为60～100m2/g，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯的质量含量为3～5%。在所述平均孔径范围下，气凝胶结构稳定，弹性较好；在所述比表面积下，气凝胶具有较高的吸附能力和吸附水平。
[0016]本专利技术进一步解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶的制备方法，包括以下步骤：（1）将糖碳源、氧化石墨烯和催化剂混合后，加入水中，搅拌溶解，干燥，得碳素混合物；（2）将步骤（1）所得碳素混合物在火焰中快速加热扩孔，洗涤，得以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶。
[0017]本专利技术方法的专利技术思路为：通过催化剂催化作用，使糖碳源在火焰加热时产生大量的二氧化碳气体，使糖碳源在碳化过程中形成框架结构，并且很好的将石墨烯搭载在此框架上。由于该方法与硬模板法等产生的石墨烯凝胶比较相近，因此，很好的避免了石墨烯的团聚。
[0018]优选地，步骤（1）中，所述糖碳源、氧化石墨烯和催化剂的质量比为800:10～15:40～100。若氧化石墨烯的含量过高，则会导致碳化糖三维骨架难以形成，糖黏附在石墨烯片层上；若氧化石墨烯含量过低，则会导致石墨烯片层在碳化糖三维骨架上不充分搭载。碳化糖三维骨架具有类似泡沫镍的结构，且将石墨烯片层黏附支撑，使得氧化石墨烯片层分隔
开，防止了石墨烯的团聚。
[0019]优选地，步骤（1）中，所述水的用量为糖碳源质量的1.0～1.5倍。
[0020]优选地，步骤（1）中，所述干燥的温度为50～70℃，时间为10～15h。所述干燥的目的是完全烘干不保留水分。
[0021]优选地，步骤（1）中，所述糖碳源为蔗糖。
[0022]优选地，步骤（1）中，所述氧化石墨烯为单层或多层氧化石墨烯，单层片层厚度为0.7～1.0nm，片径为1～5μm。
[0023]优选地，步骤（1）中，所述催化剂为碳酸钠。所述催化剂的作用是催化蔗糖产生气体，以形成气凝胶孔洞。
[0024]优选地，步骤（2）中，所述加热扩孔的温度为300～350℃，时间为50～70s，至材料固化不再膨胀为止。在加热扩孔过程中，糖碳源在所述温度和时间下受催化剂催化作用，影响产生气体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶，其特征在于：所述石墨烯气凝胶中，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯以单层或多层结构搭载于碳化糖的三维骨架上；所述石墨烯气凝胶的平均孔径为0.1～5.0μm，比表面积为60～100m2/g，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯的质量含量为3～5%。2.一种如权利要求1所述以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将糖碳源、氧化石墨烯和催化剂混合后，加入水中，搅拌溶解，干燥，得碳素混合物；（2）将步骤（1）所得碳素混合物在火焰中快速加热扩孔，洗涤，得以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶。3.根据权利要求2所述以碳化糖为三维骨架的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述糖碳源、氧化石墨烯和催化剂的质量比为800:10～15:40～100；所述水的用量为糖碳源质量的1.0～1.5倍；所述干燥的温度为50～70℃，时间为10～15h；所述糖碳源为蔗糖；所述氧化石墨烯为单层或多层氧化石墨烯，单层片层厚度为0.7～1.0nm，片径为1～5μm；...

【专利技术属性】
技术研发人员：楚增勇，董其超，巩晓凤，张冶，赵振凯，李国臣，肖民，胡天娇，蒋振华，闫佳，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：