【中国发明,中国发明授权】一种内部结构可调节的石墨烯水凝胶的制备方法
有权-审定授权 中国
- 申请号：
- CN201610553009.4
- 专利权人：
- 华南理工大学
- 授权公告日/公开日：
- 2020.07.28
- 专利有效期：
- 2016.07.12-2036.07.12
- 技术分类：
- B01:一般的物理或化学的方法或装置
- 转化方式：
- 转让
- 价值度指数：
-
- 56.0分
- 价格：
- ¥40000.00
发布人
张心亚
联系人张心亚
-
- 020-87112047
-
- cexyzh@scut.edu.cn
-
- 12096436
-
- 18820031299
-
- 广东省广州市天河区五山路381号华南理工大学化学与化工学院
- 专利信息&法律状态
- 专利自评
- 专利技术文档
- 价值度指数
- 发明人阵容
著录项
- 申请号
- CN201610553009.4
- 申请日
- 20160712
- 公开/公告号
- CN106215817A
- 公开/公告日
- 20161214
- 申请/专利权人
- [华南理工大学]
- 发明/设计人
- [张心亚, 谢于辉, 谢德龙, 钟理]
- 主分类号
- B01J13/00
- IPC分类号
- C12N 9/0008(2013.01) C12N 9/16
- CPC分类号
- C12N 9/0008(2013.01) C12N 9/16(2013.01)
- 分案申请地址
- 国省代码
- 广东(44)
- 颁证日
- G06T1/00
- 代理人
- [罗观祥]
摘要
本发明公开了一种内部结构可调节的石墨烯水凝胶的制备方法。该方法包括如下步骤：1)将氧化石墨烯粉末，在超声波辅助下分散于去离子水中，得到氧化石墨烯水分散液；2)将还原剂分散于所述氧化石墨烯水分散液中，形成混合分散液；3)利用酸液或碱液调节所述混合分散液体系的pH值；4)将调节好pH值的混合分散液在50~100℃反应1~12h，反应结束后将产物取出洗涤得到石墨烯水凝胶。相比传统制备方法，本发明改进了所制备石墨烯水凝胶的内部空隙结构，可以根据实际应用需要，制备出含有不同孔隙结构的水凝胶。本发明制备工艺简单，反应条件温和可控，不需复杂设备，并且容易实现工业化生产。
法律状态
| 法律状态公告日 | 20200728 |
| 法律状态 | 授权 |
| 法律状态信息 | 授权 |
| 法律状态公告日 | 20170111 |
| 法律状态 | 实质审查的生效 |
| 法律状态信息 | 实质审查的生效 IPC(主分类):B01J 13/00 申请日:20160712 |
| 法律状态公告日 | 20161214 |
| 法律状态 | 公开 |
| 法律状态信息 | 公开 |
权利要求
权利要求数量（8）
独立权利要求数量（1）
1.一种内部结构可调节的石墨烯水凝胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将氧化石墨烯粉末，在超声波辅助下分散于去离子水中，得到氧化石墨烯水分散液；
2)将还原剂分散于所述氧化石墨烯水分散液中，形成混合分散液；
3)利用酸液或碱液调节所述混合分散液体系的pH值；
4)将调节好pH值的混合分散液在50～100℃反应1～12h，反应结束后将产物取出洗涤 得到石墨烯水凝胶；
随着pH值得增大，孔径逐渐增大，从以小于2nm的微孔为主的多孔结构逐渐转变成孔径 大于10nm的介孔结构，根据所需水凝胶孔径的需求，调节混合分散液体系pH值为1～14。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，氧化石墨烯水分散液的浓 度为1～20mg/mL。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述超声分散频率为20～800KHz，功 率为40～2000W；所述超声分散时间为20～120min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述还原剂包括为硫酸亚铁、水合肼、 抗坏血酸、抗坏血酸钠、硼氢化钠和氢碘酸中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤(2)中，还原剂与氧化石墨烯的质量 比为0.5～15:1。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述酸液为H 2SO 4、H 2SO 3、HCl、 IH、H 3PO 4、HNO 3、HNO 2、甲酸或乙酸。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述碱液为NaOH溶液、KOH溶 液或NH 3·H 2O溶液。
8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(4)中的反应温度为60～90℃，反应 时间为3～10h。
说明书
技术领域
本发明涉及一种石墨烯材料的制备方法，具体为一种内部结构可调节的石墨烯水 凝胶的制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接而成的二维材料，具有极为突出的导电、导 热及力学性能，在化学储能，催化，传感器和高强度材料方面具有潜在的应用价值，吸引了 越来越多关注的目光。但是，由于石墨烯片层之间具有很强的相互作用力——范德华力，因 此石墨烯片层在实际应用中非常容易团聚在一起，严重影响石墨烯材料的性能。而以石墨 烯片层为骨架，将其自组装成具有三维结构的石墨烯材料，是避免石墨烯片层之间的堆叠 的重要解决方法，能够充分利用单层石墨烯片层的优异性能，并且具有超高比表面积、独特 的多孔结构以及良好的机械性能。石墨烯水凝胶是三维石墨烯材料的一种，含水率通常在 80％以上，通常以氧化石墨烯水分散液为前驱体，经还原后便可制得。除了具有普通三维石 墨烯的性能优点外，石墨烯水凝胶还具有优良的机械性能，加工处理过程也比较简单，可以 直接作为超级电容器的电极、吸附材料、催化剂载体等。并且，石墨烯水凝胶的制备过程也 相对简单，容易工业化生产，因而已经成为当今世界应用前景最广泛的石墨烯材料之一。
相比于石墨烯，氧化石墨烯的表面和边缘含有大量的含氧官能团，具有独特的物 理和化学性质。氧化石墨烯可以分散在不同溶剂中形成稳定的分散液，因而为后续各种处 理带来便利。氧化石墨烯经过还原后，如化学还原、水热还原等，可以制备石墨烯材料。氧化 石墨烯的制备工艺相对简单，成本也比较低廉，而且已经实现大规模工业化生产，因此，以 氧化石墨烯为前驱体制备石墨烯材料，是目前研究最为成熟也最有希望实现石墨烯材料工 业化生产的方法之一。以氧化石墨烯水溶液为前驱体制备石墨烯水凝胶已经有诸多报道。
目前基于还原氧化石墨烯自组装制备的三维石墨烯水凝胶，其内部多是无序的多 孔结构，孔径在几个纳米到数十微米之间，给石墨烯水凝胶的性能带来不利影响，尤其是在 设计超级电容器这一应用中，孔径结构对性能的提高具有至关重要的作用。因此急需一种 可以有效控制石墨烯水凝胶的内部孔隙结构有效而简便的制备方法。
发明内容
本发明目的在于解决目前石墨烯水凝胶制备方法的不足，提供一种制备石墨烯水 凝胶简单方法，该法可以根据应用需要有效调控石墨烯水凝胶的内部孔隙结构，制备过程 简单，反应条件温和，耗时较少。
以氧化石墨烯水溶液为前驱体，经还原后通过石墨烯片层之间的相互作用力自组 装，是制备石墨烯水凝胶比较常用的方法。然而该方法所制得的石墨烯水凝胶的内部孔隙 结构多为大小不同的孔相互连接而成，无法有效控制内部孔径的大小，限制其应用。本发明 首次通过改变前驱体的pH值来调控氧化石墨烯片层之间的相互作用力，进而调节石墨烯和 氧化石墨烯片层的自组装过程，在不同pH值条件下形成一系列具有不同孔径分布的石墨烯 水凝胶。随着pH值的增大，氧化石墨烯/石墨烯片层之间的相互作用力逐渐增大，所形成的 水凝胶的平均孔径也逐渐增大，从微孔(孔径≤2nm)发展成双分布多孔结构，进一步形成大 孔径的介孔结构。
本发明目的通过如下方法实现：
一种内部结构可调节的石墨烯水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)将氧化石墨烯粉末，在超声波辅助下分散于去离子水中，得到氧化石墨烯水分 散液；
2)将还原剂分散于所述氧化石墨烯水分散液中，形成混合分散液；
3)利用酸液或碱液调节所述混合分散液体系的pH值；
4)将调节好pH值的混合分散液在50～100℃反应1～12h，反应结束后将产物取出 洗涤得到石墨烯水凝胶；
随着pH值得增大，孔径逐渐增大，从以小于2nm的微孔为主的多孔结构逐渐转变成 孔径大于10nm的介孔结构，根据所需水凝胶孔径的需求，调节混合分散液体系pH值为1～ 14。
为进一步实现本发明目的，优选地，步骤1)中，氧化石墨烯水分散液的浓度为1～ 20mg/mL。
优选地，所述超声分散频率为20～800KHz，功率为40～2000W；所述超声分散时间 为20～120min。
优选地，所述还原剂包括为硫酸亚铁、水合肼、抗坏血酸、抗坏血酸钠、硼氢化钠和 氢碘酸中的一种或多种。
优选地，步骤(2)中，还原剂与氧化石墨烯的质量比为0.5～15:1.
优选地，步骤(3)中，所述酸液为H2SO4、H2SO3、HCl、IH、H3PO4、HNO3、HNO2、甲酸或乙 酸。
优选地，步骤(3)中，所述碱液为NaOH溶液、KOH溶液或NH3·H2O溶液。
优选地，步骤(4)中的反应温度为60～90℃反应时间为3～10h。
本发明对所用反应容器形状并无特殊要求，特别的用不同形状容器制备出来的石 墨烯水凝胶具有不同的外观形状。
相比于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
1)本发明可以根据石墨烯水凝胶的不同应用需求，通过调节前驱体的pH值，调节 石墨烯/氧化石墨烯片层之间的相互作用力，有效调控石墨烯水凝胶的内部孔隙结构，制备 孔径从小到大的一系列水凝胶；大孔径的水凝胶可以提供更大的比表面积，在催化和能量 储存领域具有更好的应用价值；而小孔径的水凝胶具有更强的力学性能，更适合需要一定 刚性的应用；另外，通过本方法制备不同孔径的水凝胶，可以用于研究孔径和性能的关系， 进一步优化材料性能；
2)本发明通过调整前驱体的pH值，再经过一步化学还原法，就可以实现不同孔径 石墨烯水凝胶的制备，工艺简单，无需高温高压，反应条件温和可控，不需复杂设备，易于实 现工业化生产。
附图说明
图1是实施例1制得的石墨烯水凝胶的光学图片。
图2是实施例1制得的石墨烯水凝胶的SEM图片；
图3是实施列1制得的石墨烯水凝胶的孔径分布图；
图4是实施例2制得的石墨烯水凝胶的SEM照片；
图5是实施例2制得的石墨烯水凝胶的孔径分布图；
图6是实施例3制得的石墨烯水凝胶的SEM图片；
图7是实施例3制得的石墨烯水凝胶的孔径分布图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发 明的实施方式不限如此。需要说明的是本发明实施例中的氧化石墨烯可以是直接从市场上 购买的也可以是实验人员根据文献自己在实验室制备的。
实施例1
步骤一，将氧化石墨烯粉末超声分散于水中，控制浓度为5mg/mL。
步骤二，在步骤一制备好的氧化石墨烯水分散液中加入还原剂IH，控制还原剂与 氧化石墨烯的质量比为2.5；
步骤三，逐滴加入HCl溶液调节步骤二制备的混合液至pH值为2.5；
步骤四，将步骤三制备的分散液置于80℃烘箱中反应4h，反应结束后将样品取出， 用去离子水洗涤后获得石墨烯水凝胶，获得的石墨烯水凝胶含水率为96.8％(通过冻干水 凝胶后计算得到)。
本实施例获得的石墨烯水凝胶(图1是其外观光学图片)，经冻干后进行SEM和孔径 分布测试，其SEM如图2所示；图3则显示了本实施例获得的石墨烯水凝胶的内部孔径分布 图。从图2可以发现该条件下制备的石墨烯水凝胶结构比较紧密，从图3中可以看出在该条 件下制备出的石墨烯水凝胶的孔径分布较窄，只有一个位于1.89nm处的峰，表明大多数为 小于2nm的微孔；通过吸附亚甲基蓝的方法测试得到该水凝胶的比表面积为600m2/g。在该 条件下制备的石墨烯水凝胶的内部以微孔为主，结构紧密，具有较高的强度，适合于需要一 定强度的应用场合。
实施例2
将实施例1中的pH用HCl溶液调节为4.5，其余条件不变，制得的石墨烯水凝胶的含 水率为97.8％；其内部结构如图4所示，相比于实施例1，孔隙结构相对松散；其孔径分布图 如图5所示，很明显，在该条件下制备的石墨烯水凝胶的孔径呈现出双分布，分别在2.2nm和 4.3nm处有一个峰；水凝胶的比表面积也增大至855m2/g。在该条件下制备的石墨烯水凝胶 具有独特的双分布内部孔隙结构，同时具有大孔和小孔，在超级电容器上具有潜在应用价 值，大孔有利于导电离子的储存和运输，而小孔则有利于提高导电离子在电极表面的吸附 和脱附，提高比电容值。
实施例3
步骤一，将氧化石墨烯粉末超声分散于水中，控制浓度为5mg/mL；
步骤二，在步骤一制备的分散液中加入抗化学酸钠，控制抗坏学酸钠与氧化石墨 烯的质量比为4；
步骤三，在步骤二制备好的分散液中逐滴加入NaOH溶液，调节pH值至10，继续增大 石墨烯片层之间的相互作用力；
步骤四，将步骤三调节好pH值的分散液置于80℃烘箱中反应4h，反应结束后将样 品取出用去离子水洗涤后获得石墨烯水凝胶，所得水凝胶的含水率为98.3％。
图6是其内部结构的SEM图片；图7显示其孔径分布图；很明显在该条件下制备的石 墨烯水凝胶的内部孔隙结构比实施例2获得水凝胶更为稀松，孔径也最大；其在孔径分布图 中只有一个10.5nm左右的宽峰，说明大多数孔的直径为10.5nm；其比表面积高达1030m2/g。 在该条件下制备的石墨烯水凝胶具有宽孔径，大比表面积的特征，在制备气体传感器方面 具有一定应用前景。
根据以上实施例可以看出，通过调节pH值可以改变氧化石墨烯前驱体的化学性 质，调节氧化石墨烯/石墨烯片层之间的相互作用力，从酸性到碱性pH范围内，其相互作用 力逐渐增大，所获得的水凝胶的内部孔径也逐渐增大，从主要为小于2nm的微孔逐渐发展成 为以孔径为10.5nm为主的介孔结构。通过本方法可以实现对石墨烯水凝胶孔隙结构的调 控，制备具有不同孔隙结构的石墨烯水凝胶。不同孔径的石墨烯水凝胶可以针对不同应用， 选择所需的孔径结构，优化性能。
价值度评估
技术价值
经济价值
法律价值
0 0 056.0分
0 50 75 100专利价值度是通过科学的评估模
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基于专利大数据针对专利总体特
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部分指标包括：
授权周期（发明）
48 个月独立权利要求数量
1 个从属权利要求数量
5 个说明书页数
4 页实施例个数
3 个发明人数量
4 个被引用次数
0 次引用文献数量
0 个优先权个数
0 个技术分类数量
3 个无效请求次数
0 个分案子案个数
0 个同族专利数
0 个专利获奖情况
无保密专利的解密
否经济价值 7.0
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部分指标包括：
申请人数量
1申请人类型
院校许可备案
0 次权利质押
0 次权利转移
0 个海关备案
否法律价值 19.0
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部分指标包括：
存活期/维持时间
8法律状态
有权-审定授权
苏公网安备 32041202001399号
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