一种基于模板法制备石墨烯多孔薄膜的方法

摘要

本发明涉及一种基于模板法制备石墨烯多孔薄膜的方法。一种基于模板法制备石墨烯多孔薄膜的方法，其主要特点在于包括下述步骤：以50～8000目天然鳞片石墨为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨，超声1～24小时得到氧化石墨烯溶液，然后以水合肼还原制备石墨烯溶液；采用抽滤的方法将10～200ml浓度为0.05～1mg／ml的石墨烯溶液透过模板，即得到黑色的薄膜，将所得薄膜在40～110℃下真空干燥12小时；将薄膜放入一密闭石英器皿中，真空状态下送入600～1100℃高温炉内，反应1～60分钟后迅速取出，然后在真空态下冷却到室温，即得到一面银灰色一面黑色的石墨烯多孔薄膜。与现有技术相比，本发明不仅可以实现一系列不同孔径石墨烯多孔薄膜的制备，还具有可操作性强，成本低，适于工业化生产等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于模板法制备石墨烯多孔薄膜的方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子通过sp²杂化构成的六角蜂巢状二维网格结构的一种新型炭材料，其 厚度仅为0.335nm，是目前世界上最薄的纳米材料。2004年由英国曼彻斯特大学的两位科学 家Andre Geim和Konstantin Novoselov发现，并因此获得了2010年度的诺贝尔物理学奖。 石墨烯是人类已知强度最高，导电性、导热性最好的材料，拥有众多令人神往的发展前景， 然而要实现在诸多领域的广泛应用，需要解决的关键问题是如何能够以石墨烯为基本单元构 建宏观石墨烯基材料。在迄今为止的石墨烯基多孔材料的合成方法中，主要有高超等以石墨 烯和碳纳米管协同组装成的超轻气凝胶[Haiyan Sun，Chao Gao，et al.Multifunctional， Ultra-Flyweight，Synergistically Assembled Carbon Aerogels[J].Advanced Materials (Weinheim，Germany)，2013，25(18)：2554-2560.]、成会明等以泡沫金属作为生长基体利用化 学气相沉积法制备的三维连通网络结构的泡沫状石墨烯体材料[Zongping Chen，Hui-Ming  Cheng，et al.Three-Dimensional Flexible and Conductive Interconnected Graphene Networks  Grown by Chemical Vapour Deposition[J].Nature materials，2011，10(6)：424-428.]、王训等用 贵金属和氧化石墨烯构建的三维自组装体[Zhihong Tang，Xun Wang，et al. Noble-Metal-Promoted Three-Dimensional Macroassembly of Single-Layered  Graphene Oxide[J].Angewandte Chemie，2010，122(27)：4707-4711.]、石高全等利用水热法制 备的石墨烯自组装水凝胶[Yuxi Xu，Gaoquan Shi，ct al.Self-Assembled Graphene Hydrogel  via a One-step Hydrothermal Process[J].Acs Nano，2010，4(7)：4324-4330.]等，然而上述方法 需要使用昂贵的稀有金属，且反应条件苛刻，对设备要求高，产量低，成本高等因素都制约 了其大批量生产。本发明提出了用模板法制备石墨烯多孔薄膜的方法，此种石墨烯基多孔薄 膜材料在储能，光催化和复合材料等领域展现出良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的为了克服现有技术在制备石墨烯多孔材料过程中工艺流程复杂，周期长， 产生大量的废液污染环境和成本高等缺点，本发明提供了一种基于模板法制备石墨烯多孔薄 膜的方法。确切地说是利用石墨烯柔性特点复制模板结构，最后去除模板得到石墨烯多孔薄 膜。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于模板法制备石墨烯多孔薄膜的方 法，其主要特点在于包括下述步骤：

1)以50～8000目天然鳞片石墨为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨，超声 1～24小时得到氧化石墨烯溶液，然后以水合肼还原法制备石墨烯溶液；

2)采用抽滤的方法将10～200ml浓度为0.05～1mg／ml的石墨烯溶液透过模板，即得到黑 色的薄膜，将所得薄膜在40～110℃下真空干燥12小时；

3)将薄膜放入一密闭石英器皿中，真空状态下送入600～1100℃高温炉内，反应1～60分 钟后迅速取出，然后在真空态下冷却到室温，即得到一面银灰色一面黑色的石墨烯多 孔薄膜。

所述的一种基于模板法制备石墨烯多孔薄膜的方法，所述的模板为聚偏氟乙烯膜、混合 纤维素酯膜或尼龙膜。

所述的一种基于模板法制备石墨烯多孔薄膜的方法，所述的模板孔径为0.15～5μm。

通过调整原料粒径，氧化程度和超声时间来控制所制备石墨烯的片层尺寸，然后选择相 应孔径大小的模板，以抽滤的方法使石墨烯溶液透过模板，由于石墨烯的柔性特点使其可以 在模板孔道中穿梭，对模板形成一种包覆，最后通过高温加热使模板分解，既得与模板结构 相对应的石墨烯多孔薄膜。

与现有技术相比，本发明不仅可以实现一系列不同孔径石墨烯多孔薄膜的制备，还具有 可操作性强，成本低，适于工业化生产等优点。

附图说明

图1为实施例1所得石墨烯多孔薄膜截面的SEM图。

图2为实施例1所得石墨烯多孔薄膜的SEM图。

具体实施方式

实施例1：一种基于模板法制备石墨烯多孔薄膜的方法，包括下述步骤：

1)以325目天然鳞片石墨为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨，超声12小 时得到氧化石墨烯溶液，然后以水合肼还原制得石墨烯溶液；

2)采用抽滤的方法将50ml浓度为1mg／ml的石墨烯溶液透过孔径0.45μm尼龙膜，即得 到黑色的薄膜，将所得薄膜在110℃下真空干燥12小时；

3)将薄膜放入一密闭石英器皿中，真空状态下送入1100℃高温炉内，反应60分钟后迅 速取出，然后在真空态下冷却到室温，即得到石墨烯多孔薄膜。

所得石墨烯多孔薄膜的SEM如图1、2所示。

实施例2：一种基于模板法制备石墨烯多孔薄膜的方法，包括下述步骤：

1)以80目天然鳞片石墨为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨，超声20小时 得到氧化石墨烯溶液，然后以水合肼还原制备石墨烯溶液；

2)采用抽滤的方法将100ml浓度为0.5mg／ml的石墨烯溶液透过孔径0.22μm混合纤维 素酯膜，即得到黑色的薄膜，将所得薄膜在80℃下真空干燥12小时；

3)将薄膜放入一密闭石英器皿中，真空状态下送入900℃高温炉内，反应30分钟后迅 速取出，然后在真空态下冷却到室温，即得到石墨烯多孔薄膜。

实施例3：一种基于模板法制备石墨烯多孔薄膜的方法，包括下述步骤：

1)以8000目天然鳞片石墨为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨，超声24小 时得到氧化石墨烯溶液，然后以水合肼还原制备石墨烯溶液；

2)采用抽滤的方法将10ml质量浓度为0.05mg／ml的石墨烯溶液透过孔径0.15μm的混 合纤维素酯膜，即得到黑色的薄膜，将所得薄膜在60℃下真空干燥12小时；

3)将薄膜放入一密闭石英器皿中，真空状态下送入1000℃高温炉内，反应10分钟后迅 速取出，然后在真空态下冷却到室温，即得到石墨烯多孔薄膜。