一种新型单层石墨烯气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种新型单层石墨烯气凝胶，其基本单元石墨烯为片状结构，单层片状结构的厚度<1.2nm。还公开了制备方法，包括以下步骤：取凝胶前驱体水溶液和晶体模板水溶液混合，注入模具后进行低温凝胶、超低温冷冻，脱除水分得到杂化气凝胶，热解使杂化气凝胶得以石墨化，然后去除晶体模板，干燥后即得。该单层石墨烯气凝胶的厚度非常薄、密度小、均一性好，厚度低于市面上常见石墨烯材料，电导率高达869.4S/m，且可规模化制备。另外，这种石墨烯气凝胶在碱性和中性条件下，也表现出了优异的氧还原电催化性能，可以作为碱性或中性条件下催化氧化还原反应的非金属催化剂，还可以成功应用于碱性和中性锌

【技术实现步骤摘要】
一种新型单层石墨烯气凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于石墨烯和气凝胶材料
，尤其涉及单层石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]石墨烯(Graphene)是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。按照石墨烯的严格定义，石墨烯是一种晶体化的厚度为0.335nm的碳纳米片状材料，目前各界一般将小于10层，即理论厚度为3.35nm以内的碳纳米片归为石墨烯的范畴，而不局限于碳纳米片晶型程度。石墨烯材料因其独特的性质，在医学、电化学和能源等多个领域有广泛的研究和应用，引起了世界范围内广泛关注。在电化学领域，石墨烯因为具有优良的导电性和化学稳定性，特别适用于通过缺陷工程制备电催化剂。
[0003]石墨烯的光学、电学、力学等性质与石墨烯的层数密切相关，大多数应用，如海水净化，催化，药物递送等也与界面反应有关。因此根据石墨烯层数/厚度的不同，细分为单层石墨烯，双层石墨烯和多层石墨烯。人们渴望得到层数较少的石墨烯，甚至单层石墨烯，因为只有单层石墨烯才具有最大的理论比表面积，即2630m2/g，而层数每增加一倍，比表面积变减小一倍，同时，在10～12nm以下，石墨烯层数和电导率成负相关，超薄石墨烯具有更高的导电性能。然而，制备小于3层的石墨烯却十分困难，绝大部分报道的石墨烯属于3层及以上的石墨烯材料。另外，二维石墨烯容易发生聚集、堆叠，再次大大减少实际的可用面积，构造三维石墨烯气凝胶是解决这一问题的可行办法。已经报道的可能得到石墨烯气凝胶方法可分为两类，一类是用金属泡沫作为基底，利用气相沉积法(CVD)生长石墨烯，最后刻蚀基底，得到三维石墨烯气凝胶；第二种是利用氧化石墨烯GO作为基本构筑单元，通过冷冻浇筑、凝胶法、喷射法制备石墨烯气凝胶。前者涉及气相沉积中严格的条件控制和后期金属化学刻蚀等再处理，难以扩大规模；后者制备的石墨烯的性质受限于GO构筑单元，GO的质量决定了最后三维石墨烯的质量上限，均不能满足现在的多样化需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，针对现有石墨烯材料不理想的问题，采用特定类型的模板，提出了一种全新的单层石墨烯气凝胶及其制备方法，该方法具有绿色环保、易规模化、石墨烯层数少，比表面积高，导电性优异、界面反应传质快等特点；还提供了该单层石墨烯气凝胶作为碱性或中性条件下催化氧化还原反应的非金属催化剂的应用，以及用于碱性或中性锌
‑
空气电池的应用。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]一种新型单层石墨烯气凝胶，所述单层石墨烯气凝胶的基本单元石墨烯为片状结构，单层片状结构的厚度<1.2nm。
[0007]优选的，所述单层片状结构在厚度以外的两个维度方向上尺寸>100nm；所述单层石墨烯气凝胶的碳纳米片表面含有孔径5～30nm的孔洞；所述单层石墨烯气凝胶的密度为2
～30mg/cm3。
[0008]基于一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种新型单层石墨烯气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)凝胶前驱体和晶体模板分别在水中溶解，得到凝胶前驱体水溶液和晶体模板水溶液，取一定比例的凝胶前驱体水溶液和晶体模板水溶液混合，注入模具后进行低温凝胶化，得到杂化水凝胶；
[0010](2)将所述杂化水凝胶进一步进行超低温冷冻，使其中水分固化，冷冻干燥脱除水分，得到含有所述凝胶前驱体和晶体模板的杂化气凝胶；
[0011](3)将所述杂化气凝胶在含惰性气氛的保护条件下进行热解，使杂化气凝胶得以石墨化(凝胶前驱体在晶体化模板的空间限域作用下形成薄层碳纳米片)，然后去除所述杂化气凝胶中的残留晶体模板，干燥后即得到所述的单层石墨烯气凝胶。
[0012]上述的制备方法，优选的，步骤(1)中所述凝胶前驱体为明胶、壳聚糖其中的任一种或多种。
[0013]优选的，步骤(1)中所述晶体模板为氯化钠、氯化钾、明矾其中的任一种或多种。模板优选为一类形状具有规则或近似规则平面的晶体结构、熔点温度在500℃以上、可被水或酸刻蚀、溶解脱模的材料。
[0014]优选的，步骤(1)中，所述凝胶前驱体水的溶液浓度为1wt％～20wt％，所述晶体模板水溶液的浓度为0.045g/mL～0.36g//mL。
[0015]优选的，步骤(1)中，所述凝胶前驱体水溶液和晶体模板水溶液的体积比为1：0.1
‑
10。
[0016]优选的，步骤(1)中所述低温凝胶化的温度为0
‑
10℃；步骤(2)中所述超低温冷冻的温度为
‑
20℃～
‑
80℃。
[0017]优选的，步骤(3)中所述惰性气体为Ar、N2其中的任一种或多种。
[0018]优选的，步骤(3)中的所述热解温度为500
‑
2500℃。
[0019]优选的，步骤(3)中的所述杂化气凝胶残留晶体模板的去除方式为水洗或酸洗或碱洗。
[0020]优选的，所述单层石墨烯气凝胶的基本单元石墨烯为片状结构，在两个维度方向上尺寸>100nm，单层石墨烯的测试厚度<1.2nm。尺寸具体可通过晶体模板调节大小。
[0021]本专利技术发现利用具有规则平面的晶体模板，特别是立方模板，可以得到单层、双层石墨烯气凝胶材料。当大量立方体模板与凝胶共存时，受到立方模板的空间限域作用，绝大部分凝胶分子会被相邻的两个晶体平面压缩成膜，当空间限域作用足够强时，此膜的厚度只有一个原子层的厚度，在热解的作用下会碳化变成一个原子层厚度的碳纳米片，即单层石墨烯气凝胶。这里特别注意，得到单层石墨烯的关键在于模板类型的限制，区别于如球形模板或其它不规则模板等，只有具有规则平面的晶体才可以得到石墨烯，其中长方体晶体模板才具有最大的空间限域作用。
[0022]本专利技术的制备方法可以通过调节晶体模板含量来调控空间限域的作用大小，进而可以得到不同厚度碳纳米片的碳气凝胶，当晶体模板含量充足时，便可以得到单层石墨烯气凝胶，晶体模板可以通过简单的水洗去除，具有规模化制备的前景。
[0023]基于一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种新型单层石墨烯气凝胶作为碱性或中
性条件下催化氧化还原反应的非金属催化剂的应用。
[0024]基于一个总的专利技术构思，本专利技术还提供另一种新型单层石墨烯气凝胶用于制备碱性或中性锌
‑
空气电池的应用。
[0025]更优选的，利用上述单层石墨烯气凝胶作为空气电极催化剂制备锌
‑
空气电池的空气电极，具体制备方法如下：将所述单层石墨烯气凝胶、PTFE(60wt％)、乙炔黑按照质量比为6:3:1混合得到混合物，用辊压机将混合物压在泡沫镍上，即得到空气电极。所述单层石墨烯气凝胶的密度为～2mg
·
cm
‑3。分别选择6M KOH和4M NH4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型单层石墨烯气凝胶，其特征在于，所述单层石墨烯气凝胶的基本单元石墨烯为片状结构，单层片状结构的厚度<1.2nm。2.根据权利要求1所述的新型单层石墨烯气凝胶，其特征在于，所述单层片状结构在厚度以外的两个维度方向上尺寸>100nm；所述单层石墨烯气凝胶的碳纳米片表面含有孔径5～30nm的孔洞；所述单层石墨烯气凝胶的密度为2～30mg/cm3。3.一种如权利要求1或2所述的新型单层石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)凝胶前驱体和晶体模板分别在水中溶解，得到凝胶前驱体水溶液和晶体模板水溶液，取凝胶前驱体水溶液和晶体模板水溶液混合，注入模具后进行低温凝胶化，得到杂化水凝胶；(2)将所述杂化水凝胶进一步进行超低温冷冻，使其中水分固化，冷冻干燥脱除水分，得到含有所述凝胶前驱体和晶体模板的杂化气凝胶；(3)将所述杂化气凝胶在含惰性气氛的保护条件下进行热解，使杂化气凝胶得以石墨化，然后去除所述杂化气凝胶中的残留晶体模板，干燥后即得到所述的单层石墨烯气凝胶。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述凝胶前驱体为明胶、壳聚糖其中的任一种或多种，所述晶体模板为氯化钠、氯化钾、明矾其中的任一种或多种。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述凝胶前驱体水溶液浓度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翼，李强，李莘，尹春阳，曾慧慧，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：