[发明专利]石墨烯气凝胶三维结构及其制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯气凝胶三维结构及其制备方法，该制备方法包括：获取柔性模具；将功能材料墨水注入柔性模具，冷冻成型，将所得冰层转印到基底上，获得第1层冰层；重复上步骤，在第1层冰层上逐层转印上N层冰层，获得N+1层堆叠冰层，N≥0；N+1层堆叠冰层中，至少有一层冰层采用的功能材料墨水包含有氧化石墨烯或/和石墨烯；对所述N+1层堆叠冰层进行干燥；或者，对所述N+1层堆叠冰层进行干燥、还原。该方法能够简单、高效的制备形状复杂的石墨烯气凝胶三维结构，有利于石墨烯气凝胶三维结构规模化制造；该制备方法具有丰富的材料适用性，石墨烯气凝胶三维结构的尺寸可在大的范围内进行调整。

技术领域

本发明涉及石墨烯材料技术领域，特别是涉及一种石墨烯气凝胶三维结构及其制备方法。

背景技术

石墨烯气凝胶是由二维石墨烯构建形成的、具有互联多孔网络结构的三维宏观体材料，也被称为石墨烯泡沫、石墨烯海绵或者石墨烯宏观体。石墨烯气凝胶不仅具有低密度、高比表面积、高弹性、高孔隙率和隔热性能的气凝胶结构特点，还兼具石墨烯优异的物理化学性质，具有良好的导电与导热性以及优异机械强度，并且能够与其它功能性的分子或单元通过物理化学作用进行复合改性。这些特点使其在吸能、隔热、污染物吸附、催化载体、柔性传感器、储能电极材料、电磁屏蔽等领域具有广阔的应用前景。

制造石墨烯气凝胶三维结构的方法，主要分为还原组装法、直接冷冻干燥法、3D打印法。还原组装法是通过水热或化学还原来诱导氧化石墨烯聚集成石墨烯水凝胶，脱除水凝胶网络中的溶剂之后形成三维的石墨烯气凝胶。直接冷冻干燥法是通过将一定尺寸特征的氧化石墨烯分散液或复合物直接冷冻干燥后形成三维的石墨烯气凝胶。3D打印法是将含有氧化石墨烯的高浓度墨水通过针头挤出，在三维移动平台控制下形成三维形状，冷冻干燥后形成三维的石墨烯气凝胶。

还原组装法与直接冷冻干燥法制备的气凝胶一般为简单的块体结构，主要受制备时所用的容器形状所限制。其中还原组装中还存在较大程度的体积收缩，结构不易精确控制。并且由于气凝胶材料的特殊力学属性，难以满足类似传统材料的减材制造的工艺。3D打印在复杂结构制备中具有灵活性的优势，但是需使用高黏高浓度的墨水材料来满足3D打印的工艺适性，因可打印材料的局限性而使打印出的石墨烯气凝胶三维结构的材料类型、密度等受到限制。并且在3D打印大尺寸复杂结构过程中可能存在因墨水干燥而导致结构难以保持的问题，整体加工范围有限。另外，逐层式挤出打印的方式在加工速度与效率方面也不利于规模化制造。

因此，亟待研发一种简单、高效的石墨烯气凝胶三维结构的制备方法。

发明内容

基于此，本发明的主要目的是提供一种石墨烯气凝胶三维结构的制备方法。该制备方法以冷冻辅助转印的方式制备石墨烯气凝胶三维结构，简单、高效。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种石墨烯气凝胶三维结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

步骤一、获取模具；

步骤二、将功能材料墨水注入所述模具，冷冻成型，然后转印，获得第1层冰层；

步骤三、重复步骤二，在所述第1层冰层上逐层转印上N层冰层，获得N+1层堆叠冰层，N≥0；所述N+1层堆叠冰层中，至少有一层冰层采用的功能材料墨水包含有氧化石墨烯或/和石墨烯；

步骤四、对所述N+1层堆叠冰层进行干燥；或者，对所述N+1层堆叠冰层进行干燥、还原。

在其中一个实施例中，步骤二中，所述冷冻成型的条件包括：温度为-80℃～-20℃，时间为0.5h～24h。

在其中一个实施例中，步骤三中，至少有一层冰层采用的功能材料墨水为氧化石墨烯或/和石墨烯的水分散液，或者是氧化石墨烯或/和石墨烯与复合材料A的水分散液；所述复合材料A选自碳纳米管、纳米金属颗粒、纳米金属氧化物、金属纳米线、二维纳米材料和导电分子中的一种或几种。