一種石墨烯復(fù)合材料氣凝膠的制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米材料領(lǐng)域，特別是一種石墨烯復(fù)合材料氣凝膠的制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]因諾貝爾獎而驟然走進大眾視野的石墨烯，是人類已知的強度最高的物質(zhì)。石墨烯是單原子層的石墨薄膜，其晶格是由碳原子構(gòu)成的二維蜂窩結(jié)構(gòu)。該材料具有許多新奇的物理特性，它是目前已知在常溫下導(dǎo)電性能最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了一般導(dǎo)體。此外，還可用石墨烯制造復(fù)合材料、氣凝膠、電池/超級電容、儲氫材料、場發(fā)射材料、超靈敏傳感器等。然而現(xiàn)有石墨烯制備氣凝膠的工藝復(fù)雜，成本高，反應(yīng)條件苛刻，且由于石墨烯的比表面積大，易團聚，在與復(fù)合材料結(jié)合的過程中不易均勻分散，使得制備出的氣凝膠孔隙率小、導(dǎo)電性能差。
[0003]超級電容器是20世紀60年代發(fā)展起來的新型儲能器件，是一種介于二次電池和傳統(tǒng)物理電容之間的新型儲能器件。它具有能量密度高、比功率高、使用壽命長、充放電速度快、循環(huán)效率高等優(yōu)點。目前，按儲能原理超級電容器電極材料可分為兩類:基于雙電層原理的碳基材料；基于法拉第贗電容效應(yīng)的金屬氧化物、導(dǎo)電高聚物材料，石墨烯氣凝膠是一種三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔材料，具有比表面積高、孔隙率大、孔徑分布寬及導(dǎo)電性能好等特點，被認為是一種理想的超級電容器電極材料。然而現(xiàn)有的超級電容器電極材料穩(wěn)定性差，電容量小，導(dǎo)電率小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足而提供一種制備工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，導(dǎo)電率高，適合大規(guī)模生產(chǎn)的石墨烯復(fù)合材料氣凝膠的制備方法及其應(yīng)用，有效解決了石墨烯的團聚及分散問題。
[0005]本發(fā)明所提供的石墨烯復(fù)合材料氣凝膠的制備方法的技術(shù)方案是:在溶劑中分散納米材料，然后加入至氧化石墨烯水溶液中攪拌，得到混合液；再向混合液中加入水溶性酚醛樹脂溶液，再將連續(xù)泡沫狀體的彈性多孔物質(zhì)浸泡入混合液中，待連續(xù)泡沫狀體的彈性多孔物質(zhì)充滿混合液后取出，并依次通過加熱、保溫、干燥后放入氮氣氣氛的高溫碳化爐中進行碳化，冷卻后即制備得到石墨烯復(fù)合材料氣凝膠。
[0006]進一步，具體包括以下步驟:
(1)將0.5-5重量份(優(yōu)選為1-4重量份)的納米材料加入溶劑中分散1-5小時；
(2)將步驟(I)所得的溶液加入到1-5000重量份(優(yōu)選為100-3000重量份，更優(yōu)選為500-1000重量份)的氧化石墨烯水溶液中，超聲攪拌1-5小時，得到混合液；
(3)向混合液中加入100-5000重量份(優(yōu)選為500-3000重量份，更優(yōu)選為1000-2000重量份)的水溶性酚醛樹脂溶液，再加入水進行稀釋并攪拌均勻；
(4)將連續(xù)泡沫狀體的彈性多孔物質(zhì)浸泡入步驟(3)所得的溶液中，待連續(xù)泡沫狀體的彈性多孔物質(zhì)充滿所述溶液后取出并置入烘箱中，在90°C恒溫下處理ld，再降溫至50°C恒溫下干燥l-3d ；
(5)將海綿置于氮氣氣氛的高溫碳化爐中，升溫300 °C后保持lh，然后再升溫至1000-1100oC (優(yōu)選為1050°c)后開始降溫冷卻，最終得到石墨烯復(fù)合材料氣凝膠。
[0007]進一步，步驟(I)中，所述溶劑為20-100重量份(優(yōu)選為50-80重量份)的水。
[0008]進一步，步驟(2)中，所述氧化石墨烯水溶液的固含量為10-30%。
[0009]進一步，步驟(3)中，所述水溶性酚醛樹脂溶液的固含量為50%。
[0010]進一步，步驟(3)中，所述加入100-1000重量份(優(yōu)選為300-800重量份)的水進行稀釋。
[0011]進一步，所述納米材料為納米碳、納米娃、納米金屬氧化物中的一種。
[0012]進一步，所述連續(xù)泡沫狀體的彈性多孔物質(zhì)為海綿；海綿可以是聚氨酯海綿。
[0013]同時，本發(fā)明還提供了如上述方法制得的石墨烯復(fù)合材料氣凝膠的應(yīng)用。該石墨烯復(fù)合材料氣凝膠可應(yīng)用于鋰電池，通過將石墨烯復(fù)合材料氣凝膠磨碎，制備成鋰電池負極。該石墨烯復(fù)合材料氣凝膠還可應(yīng)用于超級電容器，通過將石墨烯復(fù)合材料氣凝膠磨碎，制備成超級電容器負極。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點:
(1)制備工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)；
(2)將石墨烯制備成氧化石墨烯溶液與納米材料均勻分布于水溶性酚醛樹脂溶液中，將易團聚的石墨烯均勻分散，具有較高的分散穩(wěn)定性；
(3)與傳統(tǒng)的鋰電池/超級電容器的負極材料相比，具有較高電容量及穩(wěn)定性；
(4)所制備出的石墨烯復(fù)合材料氣凝膠為黑色的三維納米網(wǎng)絡(luò)多孔狀結(jié)構(gòu)，具有比表面積高、孔隙率大、孔徑分布寬及導(dǎo)電性能好等特點。
【具體實施方式】
[0015]以下結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0016]實施例1
一種石墨烯復(fù)合材料氣凝膠的制備方法，包括以下步驟:
(1)將0.5重量份的納米碳加入20重量份的水中分散I小時；
(2)將步驟(I)所得的溶液加入到10重量份且固含量為10%的氧化石墨烯水溶液中，超聲攪拌I小時，得到混合液；
(3)向混合液中加入100重量份且固含量為50%的水溶性酚醛樹脂溶液，再加入100重量份的水進行稀釋并攪拌均勻；
(4)將海綿浸泡入步驟(3)所得的溶液中，待海綿充滿所述溶液后取出海綿，置入烘箱中，在90°C恒溫下處理ld，再降溫至50°C恒溫下干燥Id ;
(5)將海綿置于氮氣氣氛的高溫碳化爐中，升溫300°C后保持lh，然后再升溫至1000°C后開始降溫冷卻，最終得到黑色的三維納米網(wǎng)絡(luò)多孔狀結(jié)構(gòu)的石墨烯復(fù)合材料氣凝膠，比表面積為963m2/g，孔體積為2.98cm3/g。
[0017]實施例2
一種石墨烯復(fù)合材料氣凝膠的制備方法，包括以下步驟: (1)將I重量份的納米碳加入50重量份的水中分散1.5小時；
(2)將步驟(I)所得的溶液加入到100重量份且固含量為15%的氧化石墨烯水溶液中，超聲攪拌1.5小時，得到混合液；
(3)向混合液中加入500重量份且固含量為50%的水溶性酚醛樹脂溶液，再加入300重量份的水進行稀釋并攪拌均勻；
(4)將海綿浸泡入步驟(3)所得的溶液中，待海綿充滿所述溶液后取出海綿，置入烘箱中，在90°C恒溫下處理ld，再降溫至50°C恒溫下干燥1.5d ；
(5)將海綿置于氮氣氣氛的高溫碳化爐中，升溫300°C后保持lh，然后再升溫至1050°C后開始降溫冷卻，最終得到黑色的三維納米網(wǎng)絡(luò)多孔狀結(jié)構(gòu)的石墨烯復(fù)合材料氣凝膠，比表面積為986m2/g，孔體積為2.72cm3/g。
[0018]實施例3
一種石墨烯復(fù)合材料氣凝膠的制備方法，包括以下步驟:
(1)將2重量份的納米碳加入80重量份的水中分散2小時；
(2)將步驟(I)所得的溶液加入到1000重量份且固含量為20%的氧化石墨烯水溶液中，超聲攪拌2.5小時，得到混合液；
(3)向混合液中加入1000重量份且固含量為50%的水溶性酚醛樹脂溶液，再加入500重量份的水進行稀釋并攪拌均勻；
(4)將聚氨酯海綿浸泡入步驟(3)所得的溶液中，待聚氨酯海綿充滿所述溶液后取出聚氨酯海綿，置入烘箱中，在90°C恒溫下處理ld，再降溫至50°C恒溫下干燥2d ;
(5)將聚