[发明专利]一种片层多孔氧化石墨烯的制备方法及其产品

说明书

技术领域

本发明涉及多孔材料的制备领域，具体涉及一种片层多孔氧化石墨烯的制备方法及其产品。

背景技术

多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，主要由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体相所组成。相对于连续介质材料而言，多孔材料一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、隔音、隔热、渗透性好等优点。其应用范围也远远超过单一功能的材料，而在组织工程、催化剂载体、吸附载体、阻隔材料、泡沫材料、分离过滤材料、电极材料等方面具有重要应用，正逐渐受到人们的广泛关注。

根据孔洞尺寸的大小，国际纯粹与应用化学协会将多孔材料分为三类：微孔材料(micropore，孔径小于2nm)，介孔材料(mesopore，孔径2-50nm)和大孔材料(macropore，孔径大于50nm)。按照化学成分，多孔材料又可分为金属多孔材料、无机非金属多孔材料(多孔陶瓷、矿物等)、天然生物多孔材料(竹子、动物骨骼、珊瑚海绵等)和非生物有机多孔材料(多孔橡胶、塑料等)。对于结构特征而言，又有各向同性(无规的)和各向异性(取向的)的结构。

多孔材料的制备方法多种多样，主要有粒子致孔法、气体发泡法、乳液模板法、烧结微球法。近期，3D打印法也成为一种新型的制备多孔材料的方法。然而这些方法往往具有耗时、耗能、工艺复杂、环境不友好、尺寸限制等缺点而无法得到广泛的应用。

定向冰冻是一种利用温度梯度来影响和控制原料的运动和组装从而获得取向结构多孔材料的方法。近年来，人们利用定向冰冻法成功制备了多类具有片层取向结构的多孔材料。Deville等人(S.Deville,E.Saiz,A.P.Tomsia,Biomaterials 2006,27,5480.)成功制备了羟基磷灰石的支架材料，取向结构的存在使得这种材料具有比其他结构更大的压缩强度。Wicklein等人(B.Wicklein,A.Kocjan,G.Salazar-Alvarez,F.Carosio,G.Camino,M.Antonietti,L.Bergstrom,Nat.Nanotechnol.2014,10,27791)利用定向冰冻法制备的石墨烯/纤维素复合支架材料因为取向结构而具有更好的绝热和阻燃性能。

然而，传统的定向冰冻法由于单一温度梯度的存在，使得冰晶在结晶底面上的成核过程是无规的，从而导致在垂直于冰冻方向的截面上产生多维的小范围取向。对于需要大面积取向的片层多孔结构的场合，这一缺点严重限制了定向冰冻法的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种片层多孔氧化石墨烯的制备方法及其产品，通过双向冰冻法得到的片层多孔结构取向范围大，且排布规整。

本发明解决技术问题的技术方案为：

一种片层多孔氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

1)将氧化石墨烯和粘结剂溶解于水中，配成前驱体溶液；

2)将所述的前驱体溶液置于容器中进行双向冰冻反应，得到中间产物；所述的容器的底部具有楔形装置；

3)将步骤2)得到的中间产物冷冻干燥以去除溶剂，得到片层多孔氧化石墨烯。

本发明采用双向冰冻法制备片层多孔氧化石墨烯，具有大面积双轴取向结构。在传统的定向冰冻的基础上，在容器底部设置楔形装置，由于楔形装置的导热较差，并且楔形装置具有一定的坡度，使得溶液在冰冻过程中具有一定的温度差，造成双向温度梯度(纵向和横向)。当降温至低于溶剂的结晶温度时，溶剂开始结晶，由于双向温度梯度的影响，冰晶的成核和生长在水平和垂直方向上都得到了取向，形成大面积片层结构，且大面积取向的范围能扩展到厘米级。同时，由于体系发生微观相分离，原料被冰晶所排挤、压缩在冰晶之间的空隙之中。待冰冻完全后，再通过冷冻干燥法除去冰晶，就得到了以冰晶为模板的，具有大面积取向的片层多孔结构。