[发明专利]一种三维多孔石墨烯-聚合物前驱体转化陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种三维多孔石墨烯‑聚合物前驱体转化陶瓷复合材料及其制备方法。以三维多孔石墨烯网络结构为骨架，通过聚合物前驱体溶液浸渍，冷冻干燥，交联，裂解过程得到三维多孔石墨烯‑聚合物前驱体转化陶瓷复合材料。这种方法可以克服石墨烯在聚合物前驱体溶液中团聚和分散不均匀的缺点。三维石墨烯网络骨架不仅可以有效提高复合材料导电性能，同时能够提高复合材料的活性位点。在金属离子电池，高温传感器和电磁屏蔽材料领域有着广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种三维多孔石墨烯-聚合物前驱体转化陶瓷复合材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

聚合物前驱体转化陶瓷材料(Polymer-derived ceramics，PDCs)由于具有良好的高温性能和可调节的电学性能被广泛应用在金属离子电池，微生物燃料电池，高温传感器，微机电系统和电磁屏蔽领域。然而由于PDC中的纳米级别碳簇(游离碳)的含量较低，很大程度上限制了其在电学及电化学领域的潜在应用。因此，关于如何提高PDC导电性能的方法被相继开发出来，包括改变裂解温度，采用富碳前驱体以及在陶瓷基体中引入导电物质。石墨烯及其衍生物，作为一种导电性能非常优异的材料，已被引入到PDC中来改变其物理性能。目前研究者通常采用机械混合或者化学交联等传统的“自上而下”的方法将石墨烯或者氧化石墨烯与聚合物前驱体混合，交联，裂解得到石墨烯/聚合物前驱体转化陶瓷复合材料。然而石墨烯的高比表面积特性导致其容易随机堆叠和团聚，使得复合材料存在诸多微观缺陷；同时低石墨烯载量、石墨烯在基体中的无序分布和不连通的导电网络结构使得复合材料导电性能的提高空间有限。因此通过传统的“自上而下”的方法将石墨烯均匀的分散于前驱体溶液中仍存在诸多瓶颈。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为了解决石墨烯片在聚合物前驱体溶液中分散性差，载量低及无序分布的缺点，提供了一种三维多孔石墨烯-聚合物前驱体转化陶瓷复合材料，本发明的另一目的是提供了上述材料的制备方法；为了解决石墨烯在聚合物前驱体溶液中分散性差的问题，本发明提供了一种“自下而上”制备多孔石墨烯-聚合物前驱体转化陶瓷材料的方法。

本发明的技术方案为：一种三维多孔石墨烯-聚合物前驱体转化陶瓷复合材料，其特征在于三维石墨烯网络结构填充聚合物前驱体转化陶瓷材料，且网络内部呈现聚合物前驱体转化陶瓷-石墨烯-聚合物前驱体转化陶瓷“三明治”结构；石墨烯的质量占复合材料总质量的1～50％。

优选所述的聚合物前驱体转化陶瓷为SiOC、SiOCN或SiCN中的一种或几种。

本发明所述的三维多孔石墨烯-聚合物前驱体转化陶瓷复合材料的密度为11.5～1500mg/cm³，导电率为1.2～165S/m。

本发明还提供了一种制备上述的三维多孔石墨烯-聚合物前驱体转化陶瓷复合材料的方法，其具体步骤如下：

(1)分别量取氧化石墨烯水溶液和还原剂，氧化石墨烯和还原剂的质量比为1：(1～5)；经过磁力搅拌，超声分散后得到混合溶液；

(2)将步骤(1)制备的混合溶液转移到玻璃瓶中，密封放置到50-90℃的烘箱中自组装6～24h后，得到三维还原氧化石墨烯水凝胶；

(3)将步骤(2)制备得到的三维还原氧化石墨烯水凝胶放入乙醇的水溶液中老化后，放入-20～-80℃的条件下冷冻12～24h，取出放入冷冻干燥设备中干燥，得到三维还原氧化石墨烯气凝胶；

(4)将步骤(3)制备得到的气凝胶放置管式炉中，Ar氛围中，温度升至800～1000℃，保温1～3h，自然降温，得到三维氮掺杂石墨烯气凝胶；

(5)量取聚合物前驱体和有机溶剂于容器中，充分搅拌均匀；其中聚合物前驱体和有机溶剂的质量体积比为5～200mg/ml；