一種石墨烯氣凝膠微球及其制備方法和用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石墨烯氣凝膠微球及其制備方法和用途，屬于功能材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是碳原子以蜂窩狀方式規(guī)整排列形成的一種新型二維材料。具有優(yōu)越的力學(xué)性能，電學(xué)性能，光學(xué)性能，熱學(xué)性能，因此受到了各領(lǐng)域人士的廣泛關(guān)注。將二維的石墨烯構(gòu)建成為三維的石墨烯宏觀材料，在保證石墨烯的優(yōu)異性質(zhì)不被破壞的條件下，使石墨烯能夠真正應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，具有實(shí)際用途的一個重要方法和途徑。其中，作為三維石墨烯宏觀材料代表的石墨烯氣凝膠不僅能保留石墨烯巨大的比表面積和優(yōu)異的各項(xiàng)性能，還能同時具有氣凝膠獨(dú)特的多孔性，超低的密度，低介電常數(shù)等性能，因此，石墨烯氣凝膠引起了研究人員的極大重視并開始被廣泛地應(yīng)用到了能量轉(zhuǎn)換與存儲，高性能催化劑載體，環(huán)境保護(hù)與凈化，生物材料與生物技術(shù)等領(lǐng)域。
[0003]氣凝膠微球相較于氣凝膠塊體具有一系列更優(yōu)異的性質(zhì)，例如:作為催化劑載體具有更大的比表面積，能提供更多的活性反應(yīng)中心；作為填充材料具有流動性好易于均勻分散，不易引起應(yīng)力集中等。因此能在很大程度上提高氣凝膠的使用效率和拓寬氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域。目前常見的氣凝膠微球有S12氣凝膠微球，碳?xì)饽z微球和高分子類氣凝膠微球，但還沒有關(guān)于石墨烯氣凝膠微球的報(bào)道。將石墨烯氣凝膠制備為石墨烯氣凝膠微球，不僅能為石墨烯氣凝膠增加實(shí)際應(yīng)用價值，還能為石墨烯未來的發(fā)展探索和開辟一條新的途徑。
[0004]氣凝膠的多孔性導(dǎo)致其具有力學(xué)強(qiáng)度較低易碎裂的特性，使得制備形狀良好大小均一的氣凝膠微球不能使用簡單的諸如球磨，剪切等機(jī)械過程。因此目前氣凝膠微球的制備過程大多數(shù)是快速攪拌下溶膠-凝膠化原位制備水凝膠微球再經(jīng)干燥后得到氣凝膠微球。但這種制備方法操作較為復(fù)雜，生產(chǎn)效率較低，而且沒有適合制備石墨烯水凝膠微球的溶膠-凝膠化試劑，故并不適合石墨烯氣凝膠微球的制備。因此，目前還沒有關(guān)于石墨烯氣凝膠微球的專利文獻(xiàn)或非專利文獻(xiàn)的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而開發(fā)的一種石墨烯氣凝膠微球及其制備方法和用途。其特點(diǎn)是該石墨烯氣凝膠微球大小較為均一，具有豐富的含氧官能團(tuán)，便于改性和負(fù)載，具有穩(wěn)定的中心發(fā)散狀的多孔道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕密度小且制備方法簡單便捷，無環(huán)境污染，原料成本低，生產(chǎn)效率高。該石墨烯氣凝膠微球適用于環(huán)境污染物吸附。
[0006]本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)，其中所述原料份數(shù)除特殊說明外，均為重量份數(shù)。
[0007]石墨烯氣凝膠微球的起始原料由以下組分制成:
[0008]去離子水 100份
[0009]氧化石墨 0.05-2份
[0010]石墨烯氣凝膠微球的制備方法包括如下步驟:
[0011](I)氧化石墨的制備
[0012]將天然石墨經(jīng)化學(xué)氧化法制備成氧化石墨，其中化學(xué)氧化法為Brodie氧化法，Staudemaier氧化法，Hummer法或改進(jìn)的Hummer法中的任一種；
[0013](2)氧化石墨烯水分散液的制備
[0014]將去離子水100份，氧化石墨0.05-2份均勻混合后經(jīng)200-400W超聲剝離20-50min制備成分散液，濃度為0.5_20mg/ml ；
[0015](3)通過噴霧法將氧化石墨烯水分散液霧化成氧化石墨烯液滴微球，并由置于冷卻浴中的接收液收集，其中，噴霧法為壓力噴霧，超聲噴霧或靜電噴霧中的任一種；
[0016](4)過濾上述接收液得到氧化石墨烯冰微球，冷凍干燥后獲得氧化石墨烯氣凝膠微球；
[0017](5)將上述氧化石墨烯氣凝膠微球通過熱還原法得到石墨烯氣凝膠微球。
[0018]所述壓力噴霧的壓力為10_200Mpa，超聲噴霧的超聲功率為10_150kHz，靜電噴霧的電壓為5-20kv。
[0019]所述冷卻浴為冰/氯化鈉浴，干冰/丙酮浴或液氮/乙酸乙酯浴中的任一種。
[0020]所述接收液為乙酸乙酯，甲苯，正己烷和正庚烷中的至少一種；
[0021]所述熱還原法為在惰性氣體保護(hù)下馬弗爐中程序升溫?zé)徇€原或微波輻照熱還原。
[0022]所述程序升溫?zé)徇€原為5-10°C /min升溫至800°C并保持2_5h，微波輻照熱還原為功率為600-800W并保持1-1Omin。
[0023]石墨烯氣凝膠微球用于環(huán)境污染物吸附。
[0024]結(jié)構(gòu)表征與性能測試:
[0025]1、采用JSM-5900LV型掃描電子顯微鏡對石墨烯氣凝膠微球的形貌進(jìn)行觀察，SEM圖結(jié)果詳見圖3所示。
[0026]結(jié)果表明:石墨烯氣凝膠微球球形度好，具有多孔的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
[0027]2、采用重量分析法測試石墨烯氣凝膠微球?qū)τ袡C(jī)溶劑的吸附能力，結(jié)果詳見圖4所示。
[0028]結(jié)果表明:石墨烯氣凝膠微球?qū)τ袡C(jī)溶劑具有優(yōu)異的吸附能力，最高吸附量達(dá)到了 178g氯仿/g石墨烯氣凝膠微球。
[0029]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0030]1.本發(fā)明制備了一種石墨烯氣凝膠微球
[0031]2.本發(fā)明的制備方法制備得到的石墨烯氣凝膠微球粒徑可控，粒徑分布可通過霧化方法及參數(shù)的調(diào)整控制在10-1000 μ m任意范圍內(nèi)，比表面積高(大于200m2/g)，孔隙率在95%以上，具有豐富的含氧官能團(tuán)，便于改性和負(fù)載，具有穩(wěn)定的中心發(fā)散狀的多孔道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕密度小。
[0032]3.本發(fā)明使用的快速冷凍霧化液滴微球后干燥得到氣凝膠微球的技術(shù)方便快捷，操作簡便，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，效率高。
[0033]4.本發(fā)明制備的石墨烯氣凝膠微球用于環(huán)境污染物吸附。該石墨烯氣凝膠微球能吸附多種有機(jī)溶劑和油類，其吸附能力極高，明顯優(yōu)于已報(bào)道的大塊石墨烯氣凝膠。并且由于石墨烯氣凝膠微球輕質(zhì)易散布的特性，使其在海上漏油等環(huán)境事故中可以更好的收集吸附環(huán)境污染物。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明制備石墨烯氣凝膠微球的工藝流程示意圖；
[0035]1.制備氧化石墨；2.配制氧化石墨烯分散液；3.噴霧及快速冷凍；4.過濾；5.冷凍干燥；6.熱還原。
[0036]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1氧化石墨烯氣凝膠微球的制備工藝示意圖
[0037]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1石墨烯氣凝膠微球的掃描電鏡圖；
[0038]圖4為本發(fā)明實(shí)施例2石墨烯氣凝膠對有機(jī)溶劑的吸附量的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是本實(shí)施例只對于本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
[0040]實(shí)施例1
[0041](I)制備氧化石墨:天然石墨經(jīng)Brodie氧化法制備為氧化石墨。
[0042](2)配制氧化石墨烯水分散液:室溫下，將0.75g Brodie氧化法制備的氧化石墨和10ml去離子水混合，置于超聲波清洗儀中，200W超聲分散20分鐘后攪拌過夜，得到分散均勾呈深棕色的7.5mg/ml的氧化石墨稀水分散液。
[0043](3)將碎冰置于保溫良好的敞口杜瓦瓶中，加入氯化鈉粉末，攪拌均勻形成碎冰/氯化鈉冷卻浴。將裝有乙酸乙酯的燒杯放入碎冰/氯化鈉冷卻浴中作為接收液。同時，將配制好的7.5mg/ml的氧化石墨烯水分散液裝入靜電噴霧裝置上的注射器中，調(diào)節(jié)注射器噴頭高度使之與接收液相隔合適的距離后，調(diào)節(jié)電壓為15Kv，開始噴霧并在接收液中快速冷卻液滴微球。如圖2所示。
[0044](4)用篩子快速過濾乙酸乙酯接收液得到棕黑色氧化石墨烯冰微球，轉(zhuǎn)入冷凍干燥機(jī)中，在真空度20Pa，溫度_50°C條件下，干燥24h得到棕色氧化石墨烯氣凝膠微球。
[0045](5)將得到的氧化石墨烯氣凝膠微球置于馬弗爐中在惰性氣體保護(hù)下按5°C /min的升溫速度升溫至800攝氏度并保持5小時即得到黑色輕質(zhì)石墨烯氣凝膠微球，如圖3所示。平均粒徑為247 μπι，密度為5.