本發(fā)明屬于石墨烯泡沫及其制備和應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種石墨烯泡沫膜及其制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

石墨烯材料由于具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、透明和機(jī)械性能，近年來(lái)在微電子器件、柔性傳感器件、柔性能量存儲(chǔ)器件、智能服裝材料、航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域受到高度的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)石墨烯的制備方法和應(yīng)用技術(shù)開(kāi)展了廣泛的研究。為實(shí)現(xiàn)石墨烯的實(shí)際應(yīng)用，通常需要用化學(xué)、物理等手段來(lái)獲得宏觀的石墨烯纖維、石墨烯薄膜和石墨烯水凝膠、氣凝膠三維網(wǎng)絡(luò)等，例如：浙江大學(xué)高超教授通過(guò)液晶紡絲制備出高強(qiáng)度宏觀石墨烯導(dǎo)電纖維(CN 102534868A)，可以用作導(dǎo)線；中國(guó)科學(xué)院的成會(huì)明教授利用水合肼還原法實(shí)現(xiàn)大尺寸石墨烯的宏量制備(CN 102020270A)，可用于導(dǎo)電膜材料。

石墨烯泡沫膜具有連通的石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、較高比表面積和密度低等特殊的性能，在儲(chǔ)能、吸附和傳感等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是石墨烯基宏觀材料研究的熱點(diǎn)。例如：中國(guó)科學(xué)院的研究學(xué)者通過(guò)在石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)中浸入氧化石墨烯制備了具有較高能量密度的石墨烯基鋰離子電池(Hu G.et al.Adv.,2016,28,1603)；清華大學(xué)的石高全教授利用液晶誘導(dǎo)的方法制備了結(jié)構(gòu)有序的石墨烯多孔網(wǎng)絡(luò)(Yao B.et al.Adv.,2016,28,1623)，并在壓力傳感器等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前，石墨烯泡沫的制備除了上述骨架材料模板法和液晶定向誘導(dǎo)法之外，常用的還有水熱蒸汽還原法，可以得到多空的石墨烯泡沫(Niu Z.et al.Adv.Mater.,2012,24,4144)；申請(qǐng)人早期工作通過(guò)水熱法(CN 104276565A)和近紅外激光照射法(CN 104401987A)分別制備了石墨烯彈性氣凝膠和石墨烯多孔泡沫等。盡管這些方法能獲得結(jié)構(gòu)較好的石墨烯泡沫，但快速、低成本和安全制備石墨烯泡沫的技術(shù)還有待提高。因此，申請(qǐng)人通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索，獲得了一種電加熱快速、大面積制備石墨烯泡沫膜的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種石墨烯泡沫膜及其制備和應(yīng)用，本方法所需要的設(shè)備及操作過(guò)程簡(jiǎn)單，制備方法快速，能在數(shù)秒內(nèi)獲得較大面積的石墨烯泡沫膜；且所制備的石墨烯泡沫膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能和導(dǎo)電性。

本發(fā)明的一種石墨烯泡沫膜，所述石墨烯泡沫膜具有連續(xù)的呈菱形狀的三維孔狀結(jié)構(gòu)，通

過(guò)電加熱法制備石墨烯泡沫膜。

本發(fā)明的一種石墨烯泡沫膜的制備方法，包括：

(1)將氧化石墨分散在水中，超聲剝離，得到氧化石墨烯分散液，然后將氧化石墨烯分散液倒入疏水塑料培養(yǎng)皿中并加熱蒸干，得到氧化石墨烯薄膜；

(2)用氫碘酸還原氧化石墨烯薄膜，洗滌，得到石墨烯薄膜；

(3)將上述石墨烯薄膜兩端接通直流電，即得石墨烯泡沫膜。

所述步驟(1)中氧化石墨烯分散液的濃度為1～20mg/mL。

所述步驟(1)中疏水塑料培養(yǎng)皿為聚四氟乙烯培養(yǎng)皿。

所述步驟(1)中加熱蒸干為置于加熱臺(tái)上蒸干，加熱臺(tái)溫度為50-90℃。

所述步驟(2)中氫碘酸還原氧化石墨烯薄膜的時(shí)間為0.5-5h。

步驟(2)中為氫碘酸還原氧化石墨烯薄膜為氧化石墨烯薄膜置于40～55wt％的氫碘酸溶液中還原。

所述步驟(2)中洗滌為酒精洗滌3-6次，酒精洗滌石墨烯薄膜表面殘留的氫碘酸。

所述步驟(3)中直流電的電壓為8-100V，接通直流電的時(shí)間為1-10s。

本發(fā)明的一種石墨烯泡沫膜的應(yīng)用，石墨烯泡沫膜在儲(chǔ)能、柔性電子傳感器、智能服裝、防電磁屏蔽覆蓋層、隔熱、防噪音方面的應(yīng)用。

本發(fā)明可以通過(guò)對(duì)氧化石墨濃度以及熱蒸發(fā)氧化石墨溶液的體積可控制備不同厚度的氧化石墨烯薄膜，調(diào)節(jié)氫碘酸溶液還原氧化石墨烯薄膜的時(shí)間以及還原后用酒精洗滌石墨烯薄膜的次數(shù)來(lái)控制氫碘酸在石墨烯薄膜中的殘余量，然后對(duì)石墨烯薄膜接通不同的直流電壓來(lái)得到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)差異的石墨烯泡沫膜。

本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單，所得到的石墨烯泡沫膜具有連續(xù)的呈菱形狀的三維孔狀結(jié)構(gòu)、且密度較低，當(dāng)壓縮該石墨烯薄膜時(shí)，其面向電阻會(huì)發(fā)生改變，可利用響應(yīng)來(lái)制備石墨烯泡沫膜開(kāi)關(guān)。此外，該石墨烯泡沫膜的多孔結(jié)構(gòu)使其具有較低的導(dǎo)熱性，結(jié)合氫碘酸還原后具有的優(yōu)異導(dǎo)電性能，可用該石墨烯泡沫膜制備石墨烯熱電材料。因此，通過(guò)電加熱快速、大面積制備的石墨烯泡沫膜的方法，具有量產(chǎn)的潛力，未來(lái)在儲(chǔ)能、柔性電子傳感器、智能服裝等方面有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用前景。

有益效果

(1)本發(fā)明的操作方法簡(jiǎn)單，制備過(guò)程方便快速，易于規(guī)?；a(chǎn)；

(2)本發(fā)明所制備的石墨烯泡沫膜具有較好的力學(xué)性能，能夠隨意折疊并能很好的保持其力學(xué)強(qiáng)度，該石墨烯泡沫膜具有良好的導(dǎo)電性，可以用作特殊工作人員或特種設(shè)備的防電磁屏蔽覆蓋層；

(3)本發(fā)明可以快速獲得大面積的石墨烯泡沫膜，其內(nèi)部具有大量的聯(lián)通的孔洞網(wǎng)絡(luò)，可用用來(lái)隔熱、防噪音等。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例1、2和3通電制備石墨烯泡沫膜的示意圖；

圖2實(shí)施例1制備的石墨烯薄膜的斷面掃描電鏡照片；

圖3實(shí)施例1制備的石墨烯泡沫膜的斷面掃描電鏡照片；

圖4實(shí)施例2制備的石墨烯泡沫膜的斷面掃描電鏡照片；

圖5實(shí)施例3制備的石墨烯泡沫膜的斷面掃描電鏡照片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。

實(shí)施例1

(1)在室溫下，稱(chēng)取用改進(jìn)的Hummers方法制備的氧化石墨250mg，置于100mL的燒杯中，然后去離子水50mL配成濃度為5mg/mL的分散液，然后將燒杯放入超聲池中處理4h將氧化石墨剝離為氧化石墨烯，得到均勻的氧化石墨烯分散液50mL；將分散液倒入直徑為10cm的聚四氟乙烯培養(yǎng)皿，并將盛有氧化石墨烯分散液的培養(yǎng)皿置于60℃的熱臺(tái)上，在熱臺(tái)上蒸發(fā)12h得到氧化石墨烯薄膜；

(2)將制備的氧化石墨烯薄膜置于55wt％的氫碘酸溶液中還原1h，然后用酒精洗滌3次除去表面殘余的氫碘酸，自然干燥后得到石墨烯薄膜，其斷面掃面電鏡照片如圖2所示，可以看出石墨烯片層在薄膜的斷面層層堆疊的結(jié)構(gòu)；

(3)在石墨烯薄膜兩端用導(dǎo)線接通閉合回路(如圖1所示)，加載直流電壓8V，5s后即可獲得如圖3所示的石墨烯泡沫膜，對(duì)比圖2可以看出，經(jīng)過(guò)直流電處理，可以將原本致密排列的石墨烯片層打開(kāi)，形成石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)四探針電阻儀測(cè)得該實(shí)例中制備的石墨烯泡沫膜電導(dǎo)率達(dá)到2125S/m，相對(duì)石墨烯薄膜的電導(dǎo)率672S/m提高了約3倍。

實(shí)施例2

(1)在室溫下，稱(chēng)取用改進(jìn)的Hummers方法制備的氧化石墨250mg，置于100mL的燒杯中，然后去離子水50mL配成濃度為5mg/mL的分散液，然后將燒杯放入超聲池中處理4h將氧化石墨剝離為氧化石墨烯，得到均勻的氧化石墨烯分散液50mL；將分散液倒入直徑為10cm的聚四氟乙烯培養(yǎng)皿，并將盛有氧化石墨烯分散液的培養(yǎng)皿置于60℃的熱臺(tái)上，通過(guò)在熱臺(tái)上蒸發(fā)12h得到氧化石墨烯薄膜；

(2)將制備的氧化石墨烯薄膜置于55wt％的氫碘酸溶液中還原1h，然后用酒精洗滌3次除去表面殘余的氫碘酸，自然干燥后得到石墨烯薄膜；

(3)在石墨烯薄膜兩端用導(dǎo)線接通閉合回路(如圖1所示)，加載直流電壓12V，5s后即可獲得如圖4所示的石墨烯泡沫膜，對(duì)比圖3可以看出，當(dāng)增加石墨烯兩端給加的直流電壓時(shí)，反應(yīng)更為劇烈，形成的石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)空隙更大，通過(guò)四探針電阻儀測(cè)得該實(shí)例中制備的石墨烯泡沫膜電導(dǎo)率達(dá)到2462S/m。

實(shí)施例3

(1)在室溫下，稱(chēng)取用改進(jìn)的Hummers方法制備的氧化石墨250mg，置于100mL的燒杯中，然后去離子水50mL配成濃度為5mg/mL的分散液，然后將燒杯放入超聲池中處理4h將氧化石墨剝離為氧化石墨烯，得到均勻的氧化石墨烯分散液50mL；將分散液倒入直徑為10cm的聚四氟乙烯培養(yǎng)皿，并將盛有氧化石墨烯分散液的培養(yǎng)皿置于60℃的熱臺(tái)上，通過(guò)在熱臺(tái)上蒸發(fā)12h得到氧化石墨烯薄膜；

(2)將制備的氧化石墨烯薄膜置于55wt％的氫碘酸溶液中還原1h，然后用酒精洗滌3次除去表面殘余的氫碘酸，自然干燥后得到石墨烯薄膜；

(3)在石墨烯薄膜兩端用導(dǎo)線接通閉合回路(如圖1所示)，加載直流電壓16V，5s后即可獲得如圖5所示的石墨烯泡沫膜，對(duì)比圖3、4可以看出，當(dāng)石墨烯薄膜兩端的電壓增加到16V，同樣可以制備多孔網(wǎng)絡(luò)的石墨烯泡沫膜，此外，隨著在石墨烯薄膜兩端加載的電壓增大，石墨烯泡沫膜中的網(wǎng)絡(luò)孔洞會(huì)增大，這是由于增加電壓時(shí)，在石墨烯薄膜中的電流增大，石墨烯薄膜瞬間產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)增大，進(jìn)而提高石墨烯片層的打開(kāi)效果，通過(guò)四探針電阻儀測(cè)得該實(shí)例中制備的石墨烯泡沫膜電導(dǎo)率達(dá)到2668S/m，對(duì)比實(shí)例1和實(shí)例2中獲得的石墨烯泡沫膜可知，隨著電壓的加大，石墨烯薄膜產(chǎn)生的焦耳熱增多，使形成石墨烯泡沫時(shí)的溫度提高，較高的溫度會(huì)進(jìn)一步除去石墨烯中的含氧官能團(tuán)，提高石墨烯泡沫膜的電導(dǎo)率。