具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于多孔材料制备技术领域，具体涉及一种具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。本发明专利技术采用了聚乙烯亚胺和壳聚糖对氧化石墨烯进行改性，由于本发明专利技术控制了这两种溶剂的添加量，使之仅有较弱的交联作用，水热反应后不能生成水凝胶，依然是悬浮液产品。然后选择特定的模具进行冷冻、真空干燥处理，由于模具底部的导热系数大于侧壁的导热系数，模具底部与冷源接触，浆料底部过冷，顶部暴露于空气中，形成了温度梯度，在冷冻过程中，冰晶首先在浆料底部形成冰核，然后沿着温度梯度的方向(垂直方向)向上生长，升华后最终获得高度有序的直孔，所得产品比表面积高、孔隙率高，可以提供丰富的CO2吸附位点，更有利于吸附CO2。。。

【技术实现步骤摘要】
具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于多孔材料制备
，具体涉及一种具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着经济社会的快速发展，由化石能源燃烧和人类活动造成的CO2排放量逐年攀升，由CO2等温室气体引起的气候变化，已经成为21世纪人类面临的最为严峻的挑战之一，积极应对气候变化已成为全球普遍共识和大势所趋。
[0003]二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)技术已经成为各个国家首要关注的科研领域。CCUS是指将CO2从排放源分离，或直接加以利用或封存，以实现CO2减排的技术过程，是实现化石能源低碳化利用的唯一技术选择。考虑到CO2自身作为一种廉价易得的碳源，将温室气体中的CO2变废为宝，对缓解温室效应、减轻对化石能源依赖都具有重要的战略意义。
[0004]目前，CO2的捕集方法主要有溶剂吸收法、深冷分离法和吸附分离法等。其中，溶剂吸收法和深冷分离法具有能耗大、分离成本高等问题，吸附分离法以设备简单灵活、成本低廉、适用温度范围广的优点引起了广泛关注，已经成为目前世界范围内比较热门的一个研究课题。然而，目前开发的固体吸附材料如沸石分子筛、金属有机骨架材料(MOFs)、多孔聚合物等吸附剂通常在高压环境下具有良好的吸附效果，在低压条件下吸附量和吸附能力均有所下降。为拓展CO2捕集技术的应用范围，研究和开发适用于低压环境的新型高效固体吸附材料十分具有意义。
[0005]石墨烯气凝胶是一种高强度氧化气凝胶，具有高弹性、强吸附的特点，应用前景广阔。但是，现有方法制备石墨烯气凝胶是在交联剂作用下氧化石墨烯自组装而形成，孔道结构不规则，容易出现闭孔，比表面积和孔隙率有待进一步提高。

技术实现思路

[0006]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的氧化石墨烯气凝胶孔道结构不规则，容易出现闭孔，比表面积和孔隙率有待进一步提高等缺陷，从而提供一种具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。
[0007]为此，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]本专利技术提供一种具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0009]将氧化石墨烯分散到水中，得到GO溶液；
[0010]将聚乙烯酰亚胺溶于磷酸盐缓冲溶液或乙醇溶液中，得到PEI溶液；
[0011]将壳聚糖溶于醋酸中，得到CS溶液；
[0012]将所述PEI溶液、CS溶液加入到GO溶液中，混合均匀，进行水热还原反应，得到Gr
‑
PEI
‑
CS复合浆料；
[0013]将所述Gr
‑
PEI
‑
CS复合浆料加入到模具中进行冷冻，真空干燥，得到具有定向有序
孔结构的石墨烯气凝胶；
[0014]其中，所述模具底部的导热系数大于侧壁的导热系数。
[0015]可选的，所述模具侧壁的导热系数为0.2～10W/(m
·
K)；例如，所述侧壁的材料可以为塑料；
[0016]所述模具底部的导热系数为200～600W/(m
·
K)；例如，所述模具底部的材料可以为金属铜。
[0017]可选的，其特征在于，所述水热还原反应的温度为100～250℃，反应时间为10～20h。例如，所述水热还原反应的温度可以为100℃，120℃，140℃，150℃，170℃，180℃，200℃，210℃，230℃，240℃，250℃；所述反应时间可以为10h，11h，12h，13h，14h，15h，16h，17h，18h，19h，20h。
[0018]可选的，所述冷冻温度为
‑
10～
‑
90℃，时间为0.5～2h；例如，所述冷冻温度可以为
‑
10℃，
‑
20℃，
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30℃，
‑
40℃，
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50℃，
‑
60℃，
‑
70℃，
‑
80℃，
‑
90℃。
[0019]所述真空干燥的时间为12～24h，压力为3～10Pa，干燥温度为
‑
40～15℃。
[0020]可选的，所述GO溶液的浓度为1～10g/L，pH为5～7；可选的，所述GO溶液的浓度为1g/L，2g/L，3g/L，4g/L，5g/L，6g/L，7g/L，8g/L，9g/L，10g/L。
[0021]可选的，在超声条件下分散30～120min。
[0022]可选的，所述PEI溶液的浓度为0.1～1mg/mL。例如，所述PEI溶液的浓度为0.1mg/mL，0.2mg/mL，0.3mg/mL，0.4mg/mL，0.5mg/mL，0.6mg/mL，0.7mg/mL，0.8mg/mL，0.9mg/mL，1mg/mL。
[0023]所述CS溶液的浓度为0.1～1mg/mL，所述醋酸的质量浓度为1～10％；例如，所述CS溶液的浓度为0.1mg/mL，0.2mg/mL，0.3mg/mL，0.4mg/mL，0.5mg/mL，0.6mg/mL，0.7mg/mL，0.8mg/mL，0.9mg/mL，1mg/mL。
[0024]可选的，以PEI，CS，GO质量计，所述PEI溶液、CS溶液、GO溶液的质量比为(0.1～0.6)：(0.1～0.6)：(1～6)。
[0025]可选的，所述水热还原反应后还包括水洗的步骤；
[0026]可选的，水洗后用水配制成浓度为5～10mg/mL的GO
‑
PEI
‑
CS复合浆料。
[0027]本专利技术还提供一种上述制备方法制备得到的具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶。
[0028]可选的，比表面积为300～800m2/g，孔隙率为50～90％。
[0029]本专利技术还提供一种上述具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶在二氧化碳吸附中的应用。
[0030]具体的，所述具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶的制备方法可以包括以下步骤：
[0031](1)采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)。改进的Hummers法包括预氧化和再氧化两步氧化过程，主要采用高锰酸钾和浓硫酸来对石墨的氧化过程进行改进。将上述氧化石墨产品加入到去离子水中，充分搅拌，超声分散，然后离心去除沉淀，获得一定浓度的GO溶液，调节pH＝7.0。
[0032](2)配制聚乙烯亚胺(PEI)和壳聚糖(CS)溶液。将一定量的聚乙烯亚胺溶解在PBS(磷酸盐缓冲盐水，pH＝7.0)中，制备PEI溶液；将一定量的壳聚糖(CS)加入到一定量的醋酸
中，搅拌分散，制备CS溶液。
[0033](3)采用水热还原法制备Gr
‑
PEI
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CS复合物。一定量的聚乙烯亚胺(PEI)溶液和壳聚糖(CS)溶液加入到一定体积的GO溶液中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将氧化石墨烯分散到水中，得到GO溶液；将聚乙烯酰亚胺溶于磷酸盐缓冲溶液或乙醇溶液中，得到PEI溶液；将壳聚糖溶于醋酸中，得到CS溶液；将所述PEI溶液、CS溶液加入到GO溶液中，混合均匀，进行水热还原反应，得到Gr
‑
PEI
‑
CS复合浆料；将所述Gr
‑
PEI
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CS复合浆料加入到模具中进行冷冻，真空干燥，得到具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶；其中，所述模具底部的导热系数大于侧壁的导热系数。2.根据权利要求1所述的具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，所述模具侧壁的导热系数为0.2～10W/(m
·
K)；所述模具底部的导热系数为200～600W/(m
·
K)。3.根据权利要求1或2所述的具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，所述水热还原反应的温度为100～250℃，反应时间为10～20h。4.根据权利要求1或2所述的具有定向有序孔结构的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，所述冷冻温度为
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10～
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90℃，时间为0.5～2h；所述真空干燥的时间为12～24h，压...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴桐，王琪，李旭，刘练波，郜时旺，何忠，程阿超，
申请(专利权)人：华能国际电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：