一种氧化石墨烯微球、石墨烯微球及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化石墨烯微球、石墨烯微球及其制备方法。该氧化石墨烯微球、石墨烯微球分别包括主要由氧化石墨烯片或还原的氧化石墨烯片组装形成的三维多孔结构，所述三维多孔结构包含类红细胞结构。该氧化石墨烯微球的制备方法包括：（1）静电喷雾：将前驱体溶液经静电喷雾处理形成微球状液滴；（2）湿法收集：将所述微球状液滴输入凝固液，制得氧化石墨烯微球。该石墨烯微球的制备方法包括：取氧化石墨烯微球经化学还原法制得石墨烯微球。本发明专利技术工艺操作简单、调控方便，制备的石墨烯微球纯度高，且所用原料易得、生产成本较低、生产效率高，能够大批量的制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型石墨烯材料及其制备工艺，尤其涉及，属于材料科学领域，特别是纳米材料或无机功能材料领域。
技术介绍
2004年，英国曼切斯特大学的Geim课题组通过微机剥离法成功地制备了单层石墨烯(Science, 2004, 306, 666-669)，研究显示，石墨烯是由二维蜂窝状晶格紧密堆积组成的扁平单层碳原子组成，它的每个碳原子与和它相近的三个碳原子间通过σ键相连，组成SP2杂化结构；同时每个碳原子还有一个未成键的η电子，此剩余η电子可以在晶体中自由移动。石墨烯的理论厚度仅为0.34 nm，被认为是其他各维度炭材料的基本结构单元，它可以包覆成零维的富勒烯，卷曲成一维的纳米管，堆砌成三维的石墨。与其他炭材料相t匕，石墨烯具有良好的导电性、极高的力学性、稳定的化学性、巨大的比表面积等更优异的性质，从而开启了石墨烯及其衍生物制备、性质和应用等实验研究的新时代。目前，人们对于石墨烯的研究主要集中在二维材料自组装方面，这种结构的一个显著缺陷在于石墨烯片层之间存在强相互作用力，因而容易相互叠合，无法使石墨烯具有较高的比表面积，发挥纳米片层的优越特性，在一些领域的应用受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提出一种具有三维多孔结构的氧化石墨烯微球，以其克服现有技术中的不足。本专利技术的目的之二在于提供一种石墨烯微球。 本专利技术的目的之三在于提供一种具有操作简单、成本低、生产效率高等特点，且能实现规模化生产的氧化石墨烯微球和石墨烯微球的制备方法。本专利技术的目的之四在于提供前述石墨烯微球在环境治理、传感、医疗、能源等领域的应用。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案: 一种氧化石墨烯微球，包括主要由氧化石墨烯片组装形成的三维多孔结构，所述三维多孔结构包含类红细胞结构。一种石墨烯微球，包括主要由还原的氧化石墨烯片组装形成的三维多孔结构，所述三维多孔结构包含类红细胞结构。所述类红细胞结构为类似于红细胞的结构，具体而言，其为两面内凹的圆饼状结构，边缘较厚，中间空心，外径在70-300 μ m、内径在10-50 μ m范围内可调。一种氧化石墨烯微球的制备方法，包括: (1)静电喷雾:将前驱体溶液经静电喷雾处理形成微球状液滴； (2)湿法收集:将所述微球状液滴输入凝固液，制得氧化石墨烯微球； 其中，所述前驱体溶液包含氧化石墨烯悬浮液；所述凝固液包含阳离子表面活性剂的溶液或聚阳离子解质材料的溶液； 所述氧化石墨烯微球包括主要由氧化石墨烯片组装形成的三维多孔结构，所述三维多孔结构包含球形空心结构、类红细胞结构、面包圈结构、类蝌蚪结构、水母结构或核-壳结构。作为较为优选的实施方案之一，所述静电喷雾处理包括:将前驱体溶液置于喷射装置内，且在所述喷射装置的导电针头上施加设定电压，而后以设定的推注速度使前驱体溶液从导电针头处喷出，形成微球状液滴。作为较为优选的实施方案之一，所述前驱体溶液还包含与氧化石墨烯悬浮液复合的功能材料，所述功能材料包括金属和/或非金属纳米材料、功能高分子材料、生物分子材料或有机小分子材料，但不限于此。·作为较为优选的实施方案之一，所述凝固液包括阳离子表面活性剂的水溶液，所述阳离子表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵，但不限于此。作为较为优选的实施方案之一，所述静电喷雾处理的条件包括:设定电压为0-30KV，设定推注速度为0.001-90 mm/min，所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.02-20 mg/ml。作为较为优选的实施方案之一，步骤(2)包括:以0-1500 rpm的速度搅拌凝固液，并将所述微球状液滴输入凝固液，制得氧化石墨烯微球，其中，所述凝固液包含浓度为0.1mg/ml-2 mg/ml的十六烧基三甲基溴化铵水溶液。一种石墨烯微球的制备方法，其特征在于，包括:取上述氧化石墨烯微球或上述方法所制得的氧化石墨烯微球经化学还原法制得石墨烯微球，所述化学还原法包括基于还原剂的化学还原、光化学还原或热化学还原等方法，所述还原剂包括水合肼、硼氢化钠、氢碘酸或抗坏血酸。进一步的，所述石墨烯微球的直径在20-300 μ m范围内可调。与现有技术相比，本专利技术至少具有如下优点: (I)本专利技术采用静电喷雾一湿法收集形成氧化石墨烯微球，喷射流在到达凝固液的过程中，伴随着溶剂的挥发，形成多孔结构；氧化石墨烯液滴到达凝固液后，凝固液中的功能成分(如，阳离子表面活性剂)中和氧化石墨烯片层表面电荷，形成褶皱、氧化石墨烯片层弯曲、折叠，使得氧化石墨烯微球具有较大比表面积，溶剂水与CTAB水溶液进行双扩散，形成多孔结构，这种氧化石墨烯微球有望在吸附、传感、锂电和储氢等方面具有广阔的应用前景。(2)本专利技术工艺操作相对简单、方便调控、可制备高纯度氧化石墨烯微球、所用原料易得、生产成本较低、效率高，能够实现大批量制备。附图说明图1为本专利技术一较佳实施方式中静电喷雾一湿法收集装置的结构示意 图2为实施例1所获氧化石墨烯空心微球的光学显微镜照片； 图3a和图3b为实施例1所获氧化石墨烯空心微球的扫描电子显微镜照片； 图4为实施例2所获氧化石墨烯微球的光学显微镜照片； 图5a-图5b为实施例2所获氧化石墨烯微球的扫描电子显微镜照片； 图6为实施例3所获氧化石墨类红细胞结构微球的光学显微镜照片；图7a-图7b为实施例3所获氧化石墨烯类红细胞结构微球的扫描电子显微镜照片； 图8a-图Sb为实施例3所获石墨烯类红细胞结构微球的扫描电子显微镜照片。具体实施例方式本专利技术的一个方面旨在提供一种基于石墨烯的新材料，特别是一种氧化石墨烯微球及石墨烯微球，其具有主要由氧化石墨烯片或经还原的氧化石墨烯片组装形成的三维多孔结构，所述三维多孔结构包含球形空心结构、类红细胞结构、面包圈结构、类蝌蚪结构、水母结构或核-壳结构等。特别是，其中的一类红细胞结构微球石墨烯具有显著的多孔、褶皱结构。本专利技术的另一个方面旨在提供一种制备前述氧化石墨烯微球及石墨烯微球的方法，其具有操作简单、成本低、生产效率高，能够大批量的制备等特点，并且，该方法能够通过调节不同的实验参数调控所获氧化石墨烯微球或石墨烯微球的半径。在本专利技术的一较为优选的具体应用例中，该氧化石墨烯微球的制备工艺可以借助图1所示设备实施，并可以包括如下步骤:(1)静电喷雾:以设定推注速度推带有金属针头的内有氧化石墨烯悬浮液的塑料注射器，金属针头连接正高压设备，在外加电场作用下，氧化石墨烯悬浮液以微球的方式喷出。⑵湿法收集:用设定搅拌速度的CTAB (十六烷基三甲基溴化铵)水溶液做凝固液收集氧化石墨烯微球，微球到达凝固液后，凝固液中溶液和氧化石墨烯中水溶剂经过一个双扩散过程，最终达到一个平衡的状态，此时氧化石墨烯微球尺寸固定。进一步的，为获得石墨烯微球，前述制备方法还可进一步包含如下步骤:⑶还原:水合肼还原氧化石墨烯微球得到石墨烯微球。前述步骤⑴中的外 加电场的电压可以为0-30 KV，以形成静电场。氧化石墨烯悬浮液液滴在针头喷嘴出口处受到自身表面张力作用而保持月牙形，当施加高压后，在电场力的诱导下，使得氧化石墨烯悬浮液内部聚集大量电荷，液滴受到一个与表面张力方向相反的电场力。随着电场强度逐渐增大，喷嘴处的液滴由球状拉长为锥状，称之为泰勒锥。当电场强度继续增大，电荷产生的静电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化石墨烯微球，包括主要由氧化石墨烯片组装形成的三维多孔结构，其特征在于，所述三维多孔结构包含类红细胞结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈韦，田亚洋，周莉莎，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：