一种石墨烯基复合气凝胶的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开一种石墨烯基复合气凝胶的制备方法及应用，所述石墨烯基复合气凝胶的制备方法包括：S10、配制纳米氧化物前驱体纺丝液，采用静电纺丝工艺，得纳米氧化物纤维膜；S20、对所述纳米氧化物纤维膜进行煅烧、均质破碎后超声，得陶瓷短纤维；S30、将所述陶瓷短纤维与氧化石墨烯混合制成溶液，依次通过超声、双向冷冻和冷冻干燥，得石墨烯基复合气凝胶。双向冷冻干燥工艺能够形成形状良好的石墨烯基复合气凝胶，纳米氧化物纤维的加入能够增强气凝胶的机械强度，使得氧化石墨烯复合气凝胶同时具有高压缩性和可伸缩性，此外，该方法具有操作简便、成本低和制备工艺简单的特点，可望实现石墨烯气凝胶材料的大规模制备。现石墨烯气凝胶材料的大规模制备。现石墨烯气凝胶材料的大规模制备。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯基复合气凝胶的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及气凝胶材料领域，具体涉及一种石墨烯基复合气凝胶的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]随着社会经济的快速发展，人们对石油及石油产品的需求急剧增加。然而在石油的开采、炼化、运输、储存以及使用的各个环节中都有不同程度的泄漏事故。原油泄漏不仅污染海洋、淡水体系，破坏生态环境，而且通过生物链最终威胁人类健康。传统的处理方法吸附效率低、易产生二次污染、循环利用性低且处理成本高，已经不能满足对于一些紧急漏油事故的快速有效处理。用吸油材料进行处理是当前应对原油泄漏事故最有效的方法之一。因此，积极研究、开发具有高效吸附性能的吸油材料成为解决当前原油泄漏后处理问题的关键。
[0003]传统的天然吸油材料虽然成本低,但吸附率差且吸附选择性低。人工合成的聚合物材料，虽然改善了吸附选择性，但吸附率依然很低且会造成二次污染。因此近年来开发了大量基于石墨烯的新型高效的吸油材料，如N掺杂气凝胶、纳米纤维素气凝胶、超轻石墨烯
‑
碳纳米管气凝胶、石墨烯海绵、碳纳米管海绵等，这些材料吸附率高、选择性强且可多次使用，但是由于涉及到价格和工艺等原因，导致这些新型吸油材料大规模化非常困难，限制了其实际应用。
[0004]石墨烯气凝胶是分散介质为空气的凝胶，由石墨烯片层交错堆积而成的三维连通多孔结构，该结构可以有效避免常规石墨烯片的过度堆叠，因而石墨烯气凝胶很好地保持了石墨烯的单层(或少数层)结构和相应的性能，具有极高的孔隙率(35
‑
99.9％)、极低的密度(0.001
‑
0.1g
·
cm
‑3)和大的比表面积(200
‑
1500m2·
g
‑1)，被广泛用于污水处理等领域，但是现有的石墨烯气凝胶在受到拉伸变形时表现出非常脆弱，因此，创造同时具有高压缩性和可伸缩性的弹性多孔炭材料是一个巨大的挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的是提出一种石墨烯基复合气凝胶的制备方法及应用，旨在提供一种操作简单、成本低和制备工艺简单的制备方法，可实现石墨烯基复合气凝胶同时具有高压缩性和可伸缩性的弹性性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提出一种石墨烯基复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S10、配制纳米氧化物前驱体纺丝液，采用静电纺丝工艺，得纳米氧化物纤维膜；
[0008]S20、对所述纳米氧化物纤维膜进行煅烧、均质破碎后超声，得陶瓷短纤维；
[0009]S30、将所述陶瓷短纤维与氧化石墨烯混合制成溶液，依次通过超声、双向冷冻干燥和冷冻干燥，得石墨烯基复合气凝胶。
[0010]可选地，步骤S30之后还包括：
[0011]S40、采用甲基三甲氧基硅烷对所述石墨烯基复合气凝胶进行改性处理，得改性石墨烯基复合气凝胶。
[0012]可选地，步骤S40中，所述改性处理的时间为9～11h；和/或，
[0013]所述改性处理的温度为100～110℃。
[0014]可选地，步骤S10中，所述纳米氧化物包括二氧化硅。
[0015]可选地，步骤S14中，所述静电纺丝工艺的推注速度为0.08～0.13mm/min；和/或，
[0016]所述静电纺丝工艺的温度为33～43℃；和/或，
[0017]所述静电纺丝工艺的湿度为35～45％。
[0018]可选地，步骤S20包括：
[0019]S201、在30～80℃的温度下对所述纳米氧化物纤维膜进行干燥0.5～1.2h，得干燥的纤维膜；
[0020]S202、利用马弗炉煅烧所述干燥的纤维膜，再依次进行均质破碎分散超声、干燥，得陶瓷短纤维。
[0021]可选地，步骤S202中，所述超声的时间为20～30min。
[0022]可选地，步骤S30中，所述陶瓷短纤维与所述氧化石墨烯的质量比为10:(1～2)。
[0023]可选地，所述步骤S30中，所述双向冷冻干燥的干燥时间为12～20min；和/或，
[0024]所述冷冻干燥的干燥时间为4～6天。
[0025]本专利技术还提出一种石墨烯基复合气凝胶的应用，所述石墨烯基复合气凝胶通过如上所述的墨烯基复合气凝胶的制备方法制得，所述石墨烯基复合气凝胶用于吸附水上浮油、污水处理、染料吸附和重金属吸附中。
[0026]本专利技术提供的技术方案中，通过静电纺丝工艺制备的纳米氧化物纤维膜具有高的比表面积，大的孔隙率和较好的透气性能，对所述纳米氧化物纤维膜进行煅烧能够使纤维中胶粒发生重新排布，产生部分熔合，纤维体积收缩，最终形成结构致密化的陶瓷纳米纤维膜，将制备的陶瓷纤维膜经均质机分散超声后得到陶瓷短纤维，再与氧化石墨烯混合通过双向冷冻干燥工艺组装成具有三维结构的氧化石墨烯复合气凝胶，其中，纳米氧化物纤维的加入能够在石墨烯片层中形成物理交联，不仅增强了石墨烯气凝胶的柔韧性，还可以在石墨烯层与层之间形成支撑，阻止因冷冻干燥造成的收缩，同时纳米氧化物纤维在一定程度上也可以缓解石墨烯的团聚，使得氧化石墨烯复合气凝胶同时具有高压缩性和可伸缩性，此外，该方法具有操作简便、成本低和制备工艺简单的特点，可望实现石墨烯气凝胶材料的大规模制备。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0028]图1为本专利技术提供的石墨烯基复合气凝胶的制备方法的一实施例的流程示意图；
[0029]图2为实施例1中所制备的二氧化硅纳米纤维的电子扫描电镜图谱；
[0030]图3为实施例1中所制备的二氧化硅纳米纤维的直径分布图；
[0031]图4为对比例2中所制备的石墨烯气凝胶的电子扫描电镜图谱；
[0032]图5为实施例1中所制备的石墨烯基复合气凝胶的电子扫描电镜图谱；
[0033]图6为实施例1中所制备的石墨烯基复合气凝胶的弹性测试图；
[0034]图7为图1中所述双向冷冻干燥装置示意图；
[0035]图8为对比例1中所制备的二氧化硅纳米纤维的等温吸脱附曲线；
[0036]图9为对比例1中所制备的二氧化硅纳米纤维的BJH孔径分布图谱；
[0037]图10为实施例1中所制备的二氧化硅纳米纤维的等温吸脱附曲线；
[0038]图11为实施例1中所制备的二氧化硅纳米纤维的BJH孔径分布图谱；
[0039]图12为实施例1中所制备的双向冷冻制备的石墨烯复合气凝胶的应力
‑
应变图谱；
[0040]图13为对比例1中所制备的单向冷冻制备的石墨烯复合气凝胶的应力
‑
应变图谱；
[0041]本专利技术目的的实现、功能特点及优点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S10、配制纳米氧化物前驱体纺丝液，采用静电纺丝工艺，得纳米氧化物纤维膜；S20、对所述纳米氧化物纤维膜进行煅烧、均质破碎后超声，得陶瓷短纤维；S30、将所述陶瓷短纤维与氧化石墨烯混合制成溶液，依次通过超声、双向冷冻干燥和冷冻干燥，得石墨烯基复合气凝胶。2.如权利要求1所述的石墨烯基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S30之后还包括：S40、采用甲基三甲氧基硅烷对所述石墨烯基复合气凝胶进行改性处理，得改性石墨烯基复合气凝胶。3.如权利要求2所述的石墨烯基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S40中，所述改性处理的时间为9～11h；和/或，所述改性处理的温度为100～110℃。4.如权利要求1所述的石墨烯基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S10中，所述纳米氧化物包括二氧化硅。5.如权利要求1所述的石墨烯基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S14中，所述静电纺丝工艺的推注速度为0.08～0.13mm/min；和/或，所述静电纺丝工...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏斌，郑克亮，方琦，王积超，吴长征，谢毅，
申请(专利权)人：中国科学技术大学先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：