[发明专利]一种石墨烯中空纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯中空纤维的制备方法，所述方法为湿法纺丝法，属于氧化石墨烯及石墨烯材料制备技术领域。

背景技术

由碳原子构成的单层片状石墨烯(Graphene)，具有很高的机械强度、弹性、导热率以及电子迁移率(100,000cm2·V-1·s-1)。石墨烯可用于场效应晶体管、高频器件、超级微处理器和单分子探测器等。而由石墨烯为基本单元构成的三维结构材料，如薄膜和块状材料，可应用于可控透气性膜、各向异性离子传导体、超级电容器、锂离子电池以及能源催化等功能材料领域。

石墨烯研究和应用中的一个主要难题是石墨烯宏观结构的有效组装，目前比较成功的组装是得到三维结构的薄膜和块状。在组装宏观结构为一维结构的石墨烯方面；虽然目前已有制备得到石墨烯纤维，但是，由于石墨烯本身的溶解度低以及粘性差，所以难以制备石墨烯中空纤维。目前有关石墨烯中空纤维的制备方法中，仅见曲良体等(C.Hu,Y.Zhao,H.Cheng,Y.Wang,Z.Dong,C.Jiang,X.Zhai,L.Jiang and L.Qu,Nano Letter2012,12,5879-5884.)的文献报道，该文献公开将氧化石墨烯溶液注入到内部装有铜丝的毛细管中，进行水热合成石墨烯/铜丝的纤维，冷却后将铜丝除去得到中空的石墨烯微纳米管。所述曲良体等文献报道的方法制备的石墨烯微纳米管有一定的柔韧度，但是所述方法不能连续化生产，只能得到石墨烯微纳米管，不能得到氧化石墨烯中空纤维，而且所述方法中的后续处理和除杂操作均耗时很长，有待改进或发展新方法。

发明内容

针对现有技术中尚无石墨烯中空纤维的制备方法，以及现有石墨烯中空纤维放入制备方法不能实现大批量、连续化生产及后期处理和除杂时间较长的缺陷，本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯和石墨烯中空纤维的制备方法，所述方法为湿法纺丝法，不需要后续处理。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种石墨烯中空纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)氧化石墨烯分散液的制备：以大片层石墨为原料，用改进Hummers法制备氧化石墨烯，在高速离心的过程中选取下层离心液，稀释得到氧化石墨烯分散液。

(2)将外层溶液和内层溶液分别输入同轴针头的外层和内层，将外层溶液注射到接收溶液中，得到含水氧化石墨烯中空纤维，干燥，得到氧化石墨烯中空纤维；

(3)石墨烯中空纤维还原得到石墨烯中空纤维；步骤(1)中，所述外层溶液为50～100mg·mL-1的氧化石墨烯溶液，内层溶液为聚合物或离子液，聚合物包括PS、PAA、PI。离子液包括CaCl₂、1-丁基-3-甲基咪唑1-烯丙基-3-甲基咪唑，接收溶液为物质的量浓度1-3mol/L的离子液；内层溶液的流速为0.5-0.8ml/min；外层溶液的流速0.2-0.5ml/s。

优选地，上述的石墨烯中空纤维的制备方法，采用的石墨原料为大片层可膨胀石墨，其尺寸在100-500um。

优选地，上述的石墨烯中空纤维的制备方法，内层溶液聚合物浓度为2-4mol/L，内层离子液浓度为5-8mol/L。

优选地，上述的石墨烯中空纤维的制备方法，步骤(1)中内层溶液的流速通过同轴针头内层连接注射泵控制。

优选地，上述的石墨烯中空纤维的制备方法，步骤(1)中外层溶液的流速通过同轴针头外层连接气压计控制。

优选地，上述的石墨烯中空纤维的制备方法，步骤(1)中同轴针头内层直径为300-600μm，壁厚为150-200μm，外层直径为800-1000μm。

优选地，上述的石墨烯中空纤维的制备方法，步骤(2)中采用热处理还原、氢碘酸还原、水合肼或硼氢化钠。

优选地，上述的石墨烯中空纤维的制备方法，热处理还原为在惰性气体中600℃以上热处理氧化石墨烯中空纤维4h；氢碘酸还原为用25wt％-30wt％氢碘酸在70℃下处理氧化石墨烯中空纤维6-8h。水合肼还原为用3-5mol/L水合肼在130-160℃下处理氧化石墨烯中空纤维5-7小时。硼氢化钠还原为用1-2mol/L硼氢化钠在50-60℃下搅拌氧化石墨烯中空纤维6-8小时。

优选地，上述的石墨烯中空纤维的制备方法，向步骤(2)中的外层溶液或内层溶液中加入纳米功能颗粒混合，制备得到功能化的石墨烯中空纤维。

优选地，上述的石墨烯中空纤维的制备方法，所述纳米功能颗粒为钼酸铅纳米颗粒、钨酸钡纳米颗粒或TiO2纳米颗粒。