[发明专利]一种石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰亚胺基复合碳气凝胶及其制备方法

摘要

本发明属于纳米多孔材料‑碳气凝胶技术领域，具体为一种石墨烯纳米带/碳纳米管交联的聚酰亚胺基复合碳气凝胶及其制备方法。本发明方法包括氧化石墨烯纳米带/碳纳米管杂化材料的制备、水溶性聚酰胺酸的合成、溶胶‑凝胶法制备氧化石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰胺酸气凝胶、石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰亚胺复合气凝胶的制备及活化处理和高温碳化等步骤。本发明方法操作简单、成本低廉、绿色环保；所制备的石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰亚胺基复合碳气凝胶具有比表面积大、孔隙率高、孔径大小均一、分布均匀等优点。该复合碳气凝胶可用作催化剂载体材料、吸附材料及超级电容器、锂离子电池等新能源器件的电极材料。

主权项

一种石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰亚胺基复合碳气凝胶的制备方法，其特征在于具体步骤为：（1）通过溶液氧化法一步制备氧化石墨烯纳米带/碳纳米管杂化材料，并将所制备的氧化石墨烯纳米带/碳纳米管杂化材料通过超声分散于去离子水中，得到稳定分散的氧化石墨烯纳米带/碳纳米管杂化材料分散液；（2）将水溶性聚酰胺酸溶于步骤（1）所制备的氧化石墨烯纳米带/碳纳米管杂化材料分散液中，得到氧化石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰胺酸溶液；（3）将配置好的氢氧化钾溶液加入到步骤（2）得到的氧化石墨烯纳带米/碳纳米管/聚酰胺酸溶液中，迅速搅拌后放置一段时间，通过溶胶‑凝胶过程，得到氧化石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰胺酸水凝胶；（4）将上述氧化石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰胺酸水凝胶在冰箱或液氮中冷冻为固体，然后在冷冻干燥机中干燥，得到氧化石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰胺酸复合气凝胶，记作GONR/CNT/PAA；（5）通过程序升温对上述氧化石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰胺酸复合气凝胶进行热亚酰胺化，得到石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰亚胺复合气凝胶，记作GNR/CNT/PI；（6）将步骤（5）得到的石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰亚胺复合气凝胶进行活化处理和高温碳化，即得到具有高比表面积的石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰亚胺基复合碳气凝胶；步骤（1）中所述的制备氧化石墨烯纳米带/碳纳米管杂化材料分散液的具体操作步骤为：（a）将多壁碳纳米管分散于95‑98%的浓硫酸中，多壁碳纳米管的质量浓度为3‑5 mg/mL；搅拌1‑2 h至混合均匀；逐滴加入85%的磷酸，磷酸与浓硫酸的体积比为1:2‑1:6；继续搅拌30‑60 min；（b）在搅拌下，向上述混合液中慢慢加入高锰酸钾，高锰酸钾与多壁碳纳米管的质量比为1:1‑1:4，40‑60 min加入完毕；（c）将上述反应体系升温至60‑80℃，温度稳定后，在搅拌下继续反应2‑3h，然后自然冷却；（d）将上述所得的混合溶液倒入300 mL的冰水中，该冰水内含5‑10 mL30%的双氧水，搅拌30‑60 min后，隔夜静置，使其自然沉降；（e）将步骤（d）中的上清液作为废酸倒掉处理，底部的沉淀物质用15‑20%的盐酸溶液洗3‑5次，每次均匀沉降分离；然后，离心干燥，即得到固体氧化石墨烯纳米带/碳纳米管杂化材料；（f）将固体氧化石墨烯纳米带/碳纳米管杂化材料分散于去离子水中，超声分散，得到2‑8 mg/mL的氧化石墨烯纳米带/碳纳米管杂化材料稳定分散液；于步骤（3）中，所述的氢氧化钾的用量为聚酰胺酸质量的0.1‑0.5倍，所述的溶胶‑凝胶过程时间为3‑12 h；步骤（6）中，所述的高温碳化和活化处理过程为：将所得到的石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰亚胺复合气凝胶于管式炉中在氮气氛围中控制程序升温，即从室温升温到400‑500℃，升温时间为1‑2 h，保温0.5‑1 h；然后再升温到650‑800℃，升温时间为1‑3h，保温1‑2 h；之后升温到1000‑1400 ℃，升温时间为1‑2 h，保温0.5‑2 h。