一種混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石墨烯納米材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯因具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)而引起世界上科學(xué)家的廣泛研究熱情。石墨烯具有特異的光學(xué)特性、超高的電子迀移率、極高的熱傳導(dǎo)性能和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等等。目前，有關(guān)石墨烯性能和應(yīng)用的報導(dǎo)鋪天蓋地，這為石墨烯在各種電子設(shè)備和諸如熱管理，太陽能電池等系統(tǒng)中的應(yīng)用展現(xiàn)出了全新的前景。
[0003]哥倫比亞大學(xué)的Lee等人實測石墨烯抗拉強度和彈性模量分別為125GPa和
1.lTPa。其強度可以與金剛石的強度媲美。石墨烯的熱導(dǎo)率是室溫下銅的熱導(dǎo)率的10倍多，并且與單壁碳納米管，多壁碳納米管相比有明顯提高，表明石墨烯作為良好導(dǎo)熱材料具有巨大潛力。因為石墨烯擁有這么多的優(yōu)異性能，將其與其他物質(zhì)復(fù)合可能得到性能優(yōu)異的復(fù)合物。盡管石墨烯具有如此優(yōu)異的性能，但是其易團聚不易分散的性質(zhì)仍是限制其應(yīng)用的重要因素。
[0004]納米石墨烯片層是由單層碳原子平面結(jié)構(gòu)石墨烯堆垛而成，厚度為納米尺度的重要的兩維石墨納米材料。納米石墨烯片相對于石墨烯而言，其易加工性及可控性使得其在材料制備領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。在三維材料中，研究人員已經(jīng)制備出石墨烯的三維結(jié)構(gòu)。但是這種三維石墨烯只是由氧化石墨烯還原得到，性能比較單一，加之三維的石墨烯材料由于內(nèi)部孔隙多，限制其應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種集高熱導(dǎo)率、穩(wěn)定性和易加工性等功能于一體的多功能混雜二維網(wǎng)狀石墨稀材料及其制造方法。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]一種混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料，由作為骨架的三維網(wǎng)狀石墨烯及存在于三維網(wǎng)狀石墨烯網(wǎng)格中的石墨烯納米片組成。是一種混雜的而非單一的三維網(wǎng)狀石墨烯結(jié)構(gòu)，其中石墨烯納米片的產(chǎn)量優(yōu)選為I?10%之間，更優(yōu)選為2?8%之間。
[0008]—種混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料的制備方法，包括以下步驟:
[0009](I)制備氧化石墨烯分散液和石墨烯納米片分散液；
[0010](2)使用溶液混合法，配制氧化石墨烯-石墨烯納米片混合溶液，并超聲處理，促進分散混合；
[0011](3)取步驟(2)中的混合溶液，進行水熱反應(yīng)，得到混雜的三維網(wǎng)狀石墨烯；
[0012](4)對步驟(3)得到的三維網(wǎng)狀石墨烯進行沖洗，并真空凍干處理。
[0013]本發(fā)明中，步驟(I)中氧化石墨稀的橫向尺寸在50nm?5μηι，層數(shù)I?10層。
[0014]本發(fā)明中，步驟(I)中氧化石墨烯分散液的濃度為0.001?4mg/ml。
[0015]本發(fā)明中，步驟(I)中石墨稀納米片的平均粒徑為I?25μηι，層數(shù)I?10層。
[0016]本發(fā)明中，步驟(2)中氧化石墨烯所占混合液的質(zhì)量比為5?95%。
[0017]本發(fā)明中，步驟(3)中水熱反應(yīng)的時間為I?48小時，水熱反應(yīng)的溫度為80°C?240°C。在水熱反應(yīng)中氧化石墨烯被還原為石墨烯，其還原程度與反應(yīng)時間有關(guān)。
[0018]本發(fā)明中，步驟(4)中，對三維網(wǎng)狀石墨烯進行沖洗的材料為去離子水。
[0019]本發(fā)明中，步驟(4)中，真空凍干處理時間為8?48小時，凍干處理的效果對于三維網(wǎng)狀石墨烯的多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果:
[0021]1、相比于單一的石墨烯材料，本發(fā)明混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料是由作為骨架的三維網(wǎng)狀石墨烯及存在于三維網(wǎng)狀石墨烯網(wǎng)格中的石墨烯納米片組成，是一種混雜的而非單一的三維網(wǎng)狀石墨烯結(jié)構(gòu)，能將三維石墨烯材料與片狀石墨烯材料的優(yōu)勢結(jié)合起來。
[0022]2、三維網(wǎng)狀石墨烯具有獨特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)壁是由多層還原氧化石墨烯組成，整體疏松多孔，呈三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠提供與其他材料進行復(fù)合的基礎(chǔ)基體，在導(dǎo)熱材料、電子器件等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價值。
[0023]3、混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料中的石墨烯納米片，能夠?qū)ζ浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生加固的作用，在一定程度上加強了其熱性能。因為石墨烯納米片本身具有很好的導(dǎo)熱性能，鑲嵌在骨架上的石墨烯納米片相當于被很好的分散在相變材料中。實驗證明，摻加2%石墨烯納米片后，棕櫚酸的導(dǎo)熱系數(shù)增加了 148%。
[0024]4、混雜三維網(wǎng)狀石墨烯既保存了石墨烯納米片的優(yōu)良性能，又借助還原氧化石墨烯骨架對其進行有效的分散(石墨烯納米片鑲嵌于骨架上)。本發(fā)明將石墨烯與納米石墨烯片進行混雜，將會發(fā)生它們的協(xié)同作用，有效提高材料的加工性與可控性。本發(fā)明的混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料集高熱導(dǎo)率、穩(wěn)定性和易加工性等功能于一體。
[0025]5、相比于其他石墨烯材料，混雜三維網(wǎng)狀石墨烯制備工藝過程簡單，成本低廉，綠色安全。
【附圖說明】
[0026]圖1為實施例1中混雜三維網(wǎng)狀石墨烯的掃描電子顯微鏡圖片；
[0027]圖2為實施例1中混雜三維網(wǎng)狀石墨烯的X射線衍射圖片；
[0028]圖3為實施例2中混雜三維網(wǎng)狀石墨烯的掃描電子顯微鏡圖片；
[0029]圖4為實施例3中混雜三維網(wǎng)狀石墨烯的紅外分析圖片。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0031]實施例1
[0032]配置2mg/ml的氧化石墨烯溶液和lmg/ml的納米石墨烯片溶液。取1ml的氧化石墨稀溶液和5mg的納米石墨稀片溶液混合攪拌后超聲處理30分鐘。轉(zhuǎn)移至水熱斧內(nèi)膽中，在溫度為180°C時進行水熱反應(yīng)10h。水熱反應(yīng)結(jié)束后，取出三維網(wǎng)狀石墨烯，用去離子水沖洗。使用真空凍干機對三維網(wǎng)狀石墨烯進行凍干20h。還原性用紅外分析、X射線衍射分析進行表征，微觀形貌用環(huán)境掃描電鏡進行表征，導(dǎo)熱性能用熱分析手段進行表征。
[0033]得到的三維網(wǎng)狀石墨烯的環(huán)境掃描圖片如圖1。得到的混雜三維網(wǎng)狀石墨烯中的氧化石墨稀已被基本還原如圖2(3D-rG0是混雜網(wǎng)狀石墨稀，graphene oxide是氧化石墨烯)。實驗結(jié)果表明，成功制備出具有混雜結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)狀石墨烯材料。在混雜的三維網(wǎng)狀石墨烯結(jié)構(gòu)中:被還原的氧化石墨烯組成了混雜三維網(wǎng)狀石墨烯的骨架結(jié)構(gòu)，該骨架整體多孔疏松，孔壁由幾層還原后的石墨烯組成，尺寸在幾個微米之間；石墨烯納米片鑲嵌于骨架中，相當于被分散開來。具有該混雜石墨烯結(jié)構(gòu)的相變材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能:在摻量為2%時，棕櫚酸的導(dǎo)熱系數(shù)提高了148%。
[0034]實施例2
[0035]配置2mg/ml的氧化石墨烯溶液和2mg/ml的納米石墨烯片溶液。取1ml的氧化石墨稀溶液和5mg的納米石墨稀片溶液混合攪拌后超聲處理30分鐘。轉(zhuǎn)移至水熱斧內(nèi)膽中，在溫度為200°C時進行水熱反應(yīng)12h。水熱反應(yīng)結(jié)束后，取出三維網(wǎng)狀石墨烯，用去離子水沖洗。使用真空凍干機對三維網(wǎng)狀石墨烯進行凍干20h。實驗結(jié)果表明，成功制備出具有混雜結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)狀石墨烯材料(圖3)。在混雜的三維網(wǎng)狀石墨烯結(jié)構(gòu)中:被還原的氧化石墨烯組成了混雜三維網(wǎng)狀石墨烯的骨架結(jié)構(gòu)，該骨架整體多孔疏松，孔壁由幾層還原后的石墨烯組成，尺寸在幾個微米之間；石墨烯納米片鑲嵌于骨架中，相當于被分散開來。具有該混雜石墨烯結(jié)構(gòu)的相變材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能:在摻量為5%時，棕櫚酸的導(dǎo)熱系數(shù)提高了174%。
[0036]實施例3
[0037]配置2mg/ml的氧化石墨烯溶液和2mg/ml的納米石墨烯片溶液。取1ml的氧化石墨烯溶液和1mg的納米石墨烯片溶液混合攪拌后超聲處理30分鐘。轉(zhuǎn)移至水熱斧內(nèi)膽中，在溫度為180°C時進行水熱反應(yīng)20h。水熱反應(yīng)結(jié)束后，取出三維網(wǎng)狀石墨烯，用去離子水沖洗。使用真空凍干機對三維網(wǎng)狀石墨烯進行凍干20h。得到的混雜三維網(wǎng)狀石墨烯中的氧化石墨稀已被基本還原如圖4(3D-rG0是混雜網(wǎng)狀石墨稀，graphene oxide是氧化石墨稀)。實驗結(jié)果表面，成功制備出具有混雜結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)狀石墨烯材料。在混雜的三維網(wǎng)狀石墨烯結(jié)構(gòu)中:被還原的氧化石墨烯組成了混雜三維網(wǎng)狀石墨烯的骨架結(jié)構(gòu)，該骨架整體多孔疏松，孔壁由幾層還原后的石墨烯組成，尺寸在幾個微米之間；石墨烯納米片鑲嵌于骨架中，相當于被分散開來。具有該混雜石墨烯結(jié)構(gòu)的相變材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能:在摻量為8%時，棕櫚酸的導(dǎo)熱系數(shù)提高了328%。
[0038]上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料，其特征在于，由作為骨架的三維網(wǎng)狀石墨烯及存在于三維網(wǎng)狀石墨烯網(wǎng)格中的石墨烯納米片組成。2.—種如權(quán)利要求1所述的混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)制備氧化石墨烯分散液和石墨烯納米片分散液； (2)使用溶液混合法，配制氧化石墨烯-石墨烯納米片混合溶液，并超聲處理，促進分散混合； (3)取步驟(2)中的混合溶液，進行水熱反應(yīng)，得到混雜的三維網(wǎng)狀石墨烯； (4)對步驟(3)得到的三維網(wǎng)狀石墨烯進行沖洗，并真空凍干處理。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料的制備方法，其特征在于，步驟(I)中氧化石墨稀的橫向尺寸在50nm?5μηι，層數(shù)I?10層。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料的制備方法，其特征在于，步驟(I)中氧化石墨稀分散液的濃度為0.001?4mg/ml。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料的制備方法，其特征在于，步驟(I)中石墨稀納米片的平均粒徑為I?25μηι，層數(shù)I?10層。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)中氧化石墨烯所占混合液的質(zhì)量比為5?95%。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)中水熱反應(yīng)的時間為I?48小時，水熱反應(yīng)的溫度為80°C?240°C。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料的制備方法，其特征在于，步驟(4)中，對三維網(wǎng)狀石墨烯進行沖洗的材料為去離子水。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料的制備方法，其特征在于，步驟(4)中，真空凍干處理時間為8?48小時。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料及其制備方法，屬于石墨烯納米材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明制備方法包括以下步驟：制備氧化石墨烯分散液和石墨烯納米片分散液；使用溶液混合法，配制氧化石墨烯-石墨烯納米片混合溶液，并超聲處理，促進分散混合；取混合溶液，進行水熱反應(yīng)，得到混雜的三維網(wǎng)狀石墨烯；對得到的三維網(wǎng)狀石墨烯進行沖洗，并真空凍干處理。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明得到的混雜三維網(wǎng)狀石墨烯材料集高熱導(dǎo)率、穩(wěn)定性和易加工性等功能于一體。相比于其他石墨烯材料，混雜三維網(wǎng)狀石墨烯制備工藝過程簡單，成本低廉，綠色安全。
【IPC分類】C01B31/04
【公開號】CN105540568
【申請?zhí)枴緾N201510909775
【發(fā)明人】張東, 臧文婷
【申請人】同濟大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月10日