一种孔隙率与孔径可控的多边界石墨烯泡沫及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种孔隙率与孔径可控的多边界石墨烯泡沫及制备方法，将SiO2纳米球粉末与尿素粉末的混合粉末干压成型，使用化学气相沉积技术在SiO2纳米球表面沉积竖直生长的多边界石墨烯，最后使用氢氟酸将SiO2去除，得到具有多尺度孔径的多边界石墨烯泡沫结构。改变SiO2纳米球粉末与尿素粉末的质量比，控制孔隙率与孔径；改变SiO2纳米球的粒径，控制中空石墨烯球的大小；改变化学气相沉积时的温度和时间，控制多边界石墨烯泡沫中石墨烯片层的大小和厚度。本发明专利技术方法环境友好、适应面广，制备的多边界石墨烯泡沫具有低密度、高孔隙率以及孔隙率与孔径可控等优点，可广泛应用于导电、导热复合材料、电磁屏蔽及吸波材料等领域。电磁屏蔽及吸波材料等领域。电磁屏蔽及吸波材料等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种孔隙率与孔径可控的多边界石墨烯泡沫及其制备方法


[0001]本专利技术属于多边界石墨烯泡沫的制备方法，涉及一种孔隙率与孔径可控的多边界石墨烯泡沫及制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯是由单层碳原子构成的二维晶体材料，是构建其他维数碳材料(一维碳纳米管、三维石墨)的基本结构单元，其不仅具有优异的电学性能(室温下的电子迁移率可达2
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105cm2/V
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s)、突出的热学性能(热导率可达5000W/m
·
K)、超高的比表面积(2630m2/g)和极好的机械性能(杨氏模量达1100GPa，断裂强度125GPa)，有望在多功能纳米级电子器件、透明导电膜、复合材料、催化储能材料、场发射材料及气体传感材料等领域获得广泛应用。随着对于石墨烯相关研究的深入，有研究者提出由于石墨烯片层边界处碳原子所处的电子云环境与位于石墨烯片层中央的碳原子不同，石墨烯的边界结构在电化学催化与分子吸附等领域有着独特的性能。在构造石墨烯边界结构的方法中，化学氧化剥离法由于制备过程简单且产量较大而被广泛使用。但是通过该方法得到的石墨烯具有较差的电学性能，一方面是由于化学剥离过程中石墨原料被强烈氧化剥离，得到的石墨烯内部具有大量的结构缺陷，导致导电能力变差；另一方面是由于化学剥离法制得的石墨烯具有较小的尺寸，组装成宏观结构时片层与片层之间存在很大的接触电阻。目前有研究通过化学气相沉积的方法来制备石墨烯，使用该方法制备的石墨烯相较于化学剥离法制备的石墨烯有着更高的结晶度和更少的结构缺陷，因此有着更好的导电能力，此外使用化学气相沉积技术可以在多种复杂形貌的基底上生长石墨烯，极大拓展了石墨烯的应用领域。
[0003]具有三维网络结构的泡沫、海绵等多孔材料是一种重要的宏观体，它综合了材料的高导电、高导热、高强度、低密度、高气体渗透性等多种物理和化学性能。除了软木、海绵、珊瑚、骨头等自然界常见的具有网络结构的宏观体材料，现代科学技术的发展使聚合物、金属、陶瓷、玻璃等也可以被制成泡沫材料，并已在气体分离、水净化、催化储能、热交换、隔热、消音、减震、防爆等人类生活的方方面面获得了实际应用。与二维石墨烯薄膜相比，三维石墨烯网络材料具有极低的密度和高的比表面积，并充分结合了石墨烯优异的电学、热学、力学性能。因此开发一种孔隙率与孔径可控的多边界石墨烯泡沫及制备方法，可扩展石墨烯的物性和应用空间，必将极大地推动石墨烯在导电、导热复合材料、热管理材料、电磁屏蔽、吸波、催化、传感及储能材料等领域的应用，具有巨大的工业应用背景和广阔的市场前景。
[0004]CN103910355A公开了一种以氧化石墨烯为原料，将其与碳酸盐或碳酸氢盐混合，通过水热反应将混合物转变为凝胶，最后将凝胶中的碳酸盐或碳酸氢盐去除，从而得到多孔贯通三维石墨烯的方法。该专利技术专利使用氧化石墨烯作为构建三维石墨烯的原料，虽然具有操作简单、成本较低等优点，但是氧化石墨烯的结构完整度较差，从而使得其构建的三维石墨烯在导电、催化及传感等领域的性能受限。
[0005]CN102674321A公开了一种通过化学气相沉积技术在三维多孔金属的表面催化裂
解碳源气体生长出三维连通的石墨烯，随后溶除金属基底后得到多孔泡沫状石墨烯三维宏观体的方法。该专利技术专利以简单的模板复制的方法来制备三维连续的石墨烯宏观体，具有操作简便以及易于结构调控的特点，但是作为沉积基底的多孔金属极难完全去除，在石墨烯三维宏观体中会残留金属纳米颗粒，而且去除基底金属所产生含金属废液若未妥善净化则会对环境造成污染。
[0006]CN105776186B公开了一种结构可控的三维石墨烯多孔材料制备方法。该专利技术专利构建了三维多孔结构CAD模型，并通过增材制造技术制得相应形状的三维多孔金属结构，使用化学气相沉积法在金属模板上生长石墨烯薄膜，配制腐蚀液溶解金属模板，经洗涤和干燥处理后得到三维石墨烯多孔材料。从上述制备方法中可以发现其仍然无法避免含金属废液的产生。
[0007]因此，本专利技术使用化学气相沉积技术在SiO2纳米球表面沉积竖直生长的多边界石墨烯，在去除SiO2基底后即得到多边界石墨烯泡沫。化学气相沉积得到的多边界石墨烯有更高的结构完整度，有助于提高石墨烯泡沫在导电、催化及传感等领域的性能；此外，去除SiO2基底时不会产生含金属元素的废液，从而减少了对于环境的污染。

技术实现思路

[0008]要解决的技术问题
[0009]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种孔隙率与孔径可控的多边界石墨烯泡沫及制备方法，提高石墨烯泡沫中石墨烯片层的结构完整度，同时避免去除沉积基底时含金属废液的产生，从而减少对于环境的污染并提高石墨烯泡沫在导电、催化及传感等领域的性能。
[0010]专利技术目的是通过控制SiO2纳米球的粒径、尿素粉末与SiO2纳米球粉末的质量比以及化学气相沉积的工艺参数来制备孔隙率与孔径大小可控的多边界石墨烯泡沫。
[0011]技术方案
[0012]一种孔隙率与孔径可控的多边界石墨烯泡沫，其特征在于多边界石墨烯泡沫中有竖直于沉积基底生长的石墨烯片层，具有多边界的结构，并成为连接相邻中空石墨烯球的“桥梁”；调控混合粉末中SiO2纳米球粉末与尿素粉末的质量比，控制多边界石墨烯泡沫的孔隙率与孔径；调控SiO2纳米球的粒径，控制多边界石墨烯泡沫中的中空石墨烯球直径；调控化学气相沉积时的温度和时间，控制多边界石墨烯泡沫中石墨烯片层的大小和厚度。
[0013]所述SiO2纳米球粉末与尿素粉末的质量比为1:0.2～1:4。
[0014]所述SiO2纳米球的直径为200nm～1000nm。
[0015]一种所述孔隙率与孔径可控的多边界石墨烯泡沫的制备方法，其特征在于步骤如下：
[0016]步骤1：将SiO2纳米球粉末与尿素粉末的混合粉末干压成型；所述SiO2纳米球粉末与尿素粉末的质量比为1:0.2～1:4；
[0017]步骤2：使用化学气相沉积技术在SiO2纳米球表面沉积竖直生长的多边界石墨烯，得到生长有竖直结构多边界石墨烯的多孔SiO2圆片；
[0018]步骤3：将生长有竖直结构石墨烯的多孔SiO2圆片置于氢氟酸与无水乙醇混合溶液中将SiO2去除，即得到具有多尺度孔径的多边界石墨烯泡沫结构。
[0019]所述化学气相沉积技术的反应前驱体为甲醇，升温速率为3～10℃/min，反应环境压力为8～15kPa，反应温度为1000～1200℃，沉积时间为4～8h。
[0020]所述反应温度的升温速率为3～10℃/min。
[0021]所述氢氟酸与无水乙醇体积比为1:0.5～1:3。
[0022]所述步骤3生长有竖直结构石墨烯的多孔SiO2圆片在混合溶液中的静置时间为6～24h。
[0023]所述步骤1中使用的压片机干压成型。
[0024]所述干压成型的压力为5～10MPa。
[0025]有益效果
[0026]本专利技术提出的一种孔隙率与孔径可控的多边界石墨烯泡沫及制备方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种孔隙率与孔径可控的多边界石墨烯泡沫，其特征在于多边界石墨烯泡沫中有竖直于沉积基底生长的石墨烯片层，具有多边界的结构，并成为连接相邻中空石墨烯球的“桥梁”；调控混合粉末中SiO2纳米球粉末与尿素粉末的质量比，控制多边界石墨烯泡沫的孔隙率与孔径；调控SiO2纳米球的粒径，控制多边界石墨烯泡沫中的中空石墨烯球直径；调控化学气相沉积时的温度和时间，控制多边界石墨烯泡沫中石墨烯片层的大小和厚度。2.根据权利要求1所述孔隙率与孔径可控的多边界石墨烯泡沫，其特征在于：所述SiO2纳米球粉末与尿素粉末的质量比为1:0.2～1:4。3.根据权利要求1所述孔隙率与孔径可控的多边界石墨烯泡沫，其特征在于：所述SiO2纳米球的直径为200nm～1000nm。4.一种权利要求1～3任一项所述孔隙率与孔径可控的多边界石墨烯泡沫的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将SiO2纳米球粉末与尿素粉末的混合粉末干压成型；所述SiO2纳米球粉末与尿素粉末的质量比为1:0.2～1:4；步骤2：使用化学气相沉积技术在S...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雨雷，孟嘉晨，宋强，陈慧，李涛，陈国辉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：