一種空氣凈化用石墨烯海綿材料的制備方法
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種吸附材料及其制備方法，具體講涉及一種空氣凈化用石墨烯海綿材料及其的制備方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]甲醛、二氧化硫、氨氣、一氧化氮等氣體是生活與工業(yè)污染中的污染氣體。尤其，室內(nèi)空氣中甲醛已經(jīng)成為影響人類身體健康的主要污染物，冬天空氣中的甲醛對(duì)人體的危害特別大，對(duì)眼、鼻、喉和皮膚等產(chǎn)生明顯的刺激作用。吸附法作為一種物理化學(xué)方法，是空氣凈化中的一種重要方法之一，具備成本低廉、脫除效率高、無(wú)二次污染、易再生等優(yōu)勢(shì)。眾多吸附材料中，碳材料是一種應(yīng)用最為廣泛的吸附材料。
[0003]憑借優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)性能，石墨烯憑借其優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)性能使其具有十分廣闊的應(yīng)用前景。與薄膜狀、粉末狀的石墨烯比，海綿狀石墨烯不僅在微觀上具有納米材料的本質(zhì)特征，而且在宏觀上又表現(xiàn)出多孔材料的固有性能。海綿狀石墨烯具有更大的比表面積和表面性能、更高的孔隙率及更疏松的表面結(jié)構(gòu)，在水處理、空氣凈化、催化劑載體等領(lǐng)域具有更大的應(yīng)用價(jià)值。
[0004]現(xiàn)有的海綿狀石墨烯主要采用以下三種制備方法:氧化石墨法，把高濃度的氧化石墨烯置于180°C的水熱環(huán)境中便得到還原型石墨烯水凝膠，或?qū)⑦€原劑如NaHS04、Na2S,抗壞血酸等放入高濃度的石墨溶液中，在低溫低壓下制得；化學(xué)氣相沉積法，Chen等用化學(xué)氣相沉積法在模板上沉積得到石墨烯海綿材料，該法包括把CH4在常壓條件下加熱到1000C，石墨烯薄膜在三維泡沫鎳的模板上沉積，一層PMMA薄膜隨即沉積在石墨烯薄膜表面。當(dāng)泡沫Ni用鹽酸等溶液腐蝕后，用熱的C3H6O去除掉PMMA薄膜；有機(jī)溶膠凝膠法，超輕的石墨烯氣凝膠可以通過(guò)把氧化石墨烯加入到間苯二酚與HCHO的溶液中，在NaCO3催化作用下的溶膠凝膠聚合，然后在高溫下裂解制備得到。這種石墨烯氣凝膠的導(dǎo)電率是1.0S/cm,比表面積在584m2/g，所以這種材料非常適合用于能量?jī)?chǔ)存方面的應(yīng)用。
[0005]近年來(lái)，石墨烯海綿的制備與應(yīng)用越來(lái)越引起廣泛的關(guān)注，也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但也存在以下問(wèn)題:1)需要更深入的了解其形成機(jī)理，以制備出孔隙、形狀等可控的石墨烯海綿材料；2)需進(jìn)一步提升比表面積。從微觀上講，理想的石墨烯海綿最好由單層的石墨烯片組成，但現(xiàn)有方法無(wú)法滿足該需求；3)要進(jìn)一步探討石墨烯海綿表面功能化的可行性。表面功能化對(duì)超級(jí)電容器、微生物燃料電池等均有很好的促進(jìn)作用。因此需要提供一種制備簡(jiǎn)單、低成本低廉、性能優(yōu)異的石墨烯海綿材料及其制備方法。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種空氣凈化用石墨烯海綿材料的制備方法，采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案制備的石墨烯海綿材料解決了傳統(tǒng)吸附過(guò)程中，氧化石墨烯在還原的過(guò)程中存在重新堆疊等問(wèn)題，為石墨烯海綿材料在空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，該石墨烯海綿材料對(duì)凈化甲醛、二氧化硫、氨氣、一氧化氮或二氧化碳等具有良好的吸附性能及其吸附的循環(huán)性能。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明提供了一種空氣凈化用石墨烯海綿材料的制備方法，包括下述步驟:
[0009]I)超聲處理氧化石墨烯和碳納米管配成混合水溶液；
[0010]2)將步驟I)得到的溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，加熱恒溫后自然冷卻；冷凍干燥處理，得所述石墨稀海綿；
[0011]氧化石墨烯和碳納米管的質(zhì)量份比為20?5: I。
[0012]本發(fā)明提供的制備方法步驟I)中，氧化石墨烯的濃度為I?30g/L。
[0013]本發(fā)明提供的制備方法步驟I)中，超聲時(shí)間為10?40min，超聲頻率為20?25kHz ο
[0014]本發(fā)明提供的制備方法步驟2)中，反應(yīng)釜的內(nèi)壁襯為聚四氟乙烯，側(cè)壁與底厚度15?25mm，密封蓋厚度10?20_。
[0015]本發(fā)明提供的制備方法步驟2)中，反應(yīng)釜的加熱溫度為150?250°C，恒溫時(shí)間為10 ?12h0
[0016]本發(fā)明提供的制備方法步驟2)中，冷凍干燥為真空冷凍干燥，溫度為-50°C?-15°C，真空度< 10Pa。
[0017]本發(fā)明提供的制備方法步驟2)中，冷凍干燥處理時(shí)間為2?5d。
[0018]本發(fā)明提供的制備方法制得的石墨烯海綿材料長(zhǎng):20?100cm、寬:20?100cm、高:10 ?35cm。
[0019]本發(fā)明提供的制備方法制得的石墨烯海綿材料的比表面積為500?1000m2/g。
[0020]本發(fā)明提供的制備方法制得的石墨烯海綿材料用于凈化甲醛、二氧化硫、氨氣、一氧化氮或二氧化碳。
[0021]與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下有益效果:
[0022]1、本發(fā)明提供的制備方法采用不同尺寸氧化石墨烯和碳納米管配制的水溶液作為原料，采用水熱合成法，得到了含有豐富孔結(jié)構(gòu)的三維材料，控制石墨烯海綿的表面性質(zhì)以及孔結(jié)構(gòu)；
[0023]2、本發(fā)明提供的制備方法制得石墨烯海綿材料具有很好的機(jī)械性能和加工性能，可以加工為不同形狀。制得的石墨烯海綿對(duì)有害氣體甲醛、二氧化硫、氨氣、一氧化氮、二氧化碳等氣體顯示出良好的吸附性能。對(duì)甲醛的最高吸附量可以達(dá)到206mg/g，對(duì)氨氣的吸附量最高可以達(dá)到120mg/g，對(duì)一氧化氮的吸附量可以達(dá)到140mg/g，并且具有良好的循環(huán)性會(huì)K ;
[0024]3、本發(fā)明提供的制備方法具有簡(jiǎn)單，操作容易，成本低廉，并可批量生產(chǎn)。
【【附圖說(shuō)明】】
[0025]圖1為本發(fā)明提供制備方法制得的石墨烯海綿材料以及表面電子掃描顯微鏡圖像；
[0026]圖2為本發(fā)明提供制備方法制得的石墨烯海綿材料對(duì)甲醛的吸附曲線；
[0027]圖3為本發(fā)明提供制備方法制得的石墨烯海綿材料對(duì)甲醛吸附循環(huán)性能?！尽揪唧w實(shí)施方式】】
[0028]下面以各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]實(shí)施例1制備石墨烯海綿
[0030]I) 25kHz超聲處理氧化石墨烯和碳納米管配成混合水溶液40min ;氧化石墨烯和碳納米管的質(zhì)量份比為5:I
[0031]2)將步驟I)得到的溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，加熱至180°C恒溫12h后自然冷卻；冷凍干燥處理，得石墨烯海綿。
[0032]經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，此石墨烯海綿對(duì)甲醛的吸附量為205mg/g。
[0033]實(shí)施例2制備石墨烯海綿
[0034]I) 25kHz超聲處理氧化石墨烯和碳納米管配成混合水溶液30min ;氧化石墨烯和碳納米管的質(zhì)量份比為10: I
[0035]2)將步驟I)得到的溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，加熱至200 °C恒溫1h后自然冷卻；在_50°(:、真空度< 1Pa下冷凍干燥處理3d，得石墨烯海綿。
[0036]經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，此石墨稀海綿對(duì)氨氣的吸附量為100mg/g。
[0037]實(shí)施例3制備石墨烯海綿
[0038]I)超聲處理氧化石墨烯和碳納米管配成混合水溶液20min ;氧化石墨烯和碳納米管的質(zhì)量份比為7:I
[0039]2)將步驟I)得到的溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，加熱至190°C )恒溫IIh后自然冷卻；7令凍干燥處理，得石墨烯海綿。
[0040]經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，此石墨稀海綿對(duì)一氧化氮的吸附量為136mg/g。
[0041 ] 實(shí)施例4制備石墨烯海綿
[0042]I)超聲處理氧化石墨烯和碳納米管配成混合水溶液1min ;氧化石墨烯和碳納米管的質(zhì)量份比為5:I
[0043]2)將步驟I)得到的溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，加熱至180°C恒溫Ilh后自然冷卻；在_50°(:、真空度< 1Pa下冷凍干燥處理3d，得石墨烯海綿。
[0044]經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，此石墨稀海綿對(duì)二氧化硫的吸附量為42.3mg/g0
[0045]實(shí)施例5制備石墨烯海綿
[0046]I)超聲處理氧化石墨烯和碳納米管配成混合水溶液25min ;氧化石墨烯和碳納米管的質(zhì)量分比為6:I
[0047]2)將步驟I)得到的溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，加熱至190°C恒溫12h后自然冷卻；冷凍干燥處理，得石墨烯海綿。
[0048]經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，此石墨稀海綿對(duì)二氧化碳的吸附量為50.8mg/g0
[0049]實(shí)施例6制備石墨烯海綿
[0050]I)超聲處理氧化石墨烯和碳納米管配成混合水溶液1min ;氧化石墨烯和碳納米管的質(zhì)量份比為10: I
[0051]2)將步驟I)得到的溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，加熱至160°C恒溫12h后自然冷卻；在_50°(:、真空度< 1Pa下冷凍干燥處理3d，得石墨烯海綿。
[0052]經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，此石墨烯海綿對(duì)甲醛的吸附量為128mg/g。
[0053]最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是:以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，參照上述實(shí)施例可以對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種空氣凈化用石墨烯海綿材料的制備方法，所述制備方法包括下述步驟: 1)超聲處理氧化石墨烯和碳納米管配成混合水溶液； 2)將步驟I)得到的溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，加熱恒溫后自然冷卻；冷凍干燥處理，得所述石墨烯海綿； 所述氧化石墨烯和碳納米管的質(zhì)量份比為20?5: I。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟I)中所述的超聲頻率為20?25kHz ο3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟I)中所述的超聲時(shí)間為10?40mino4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟2)中所述反應(yīng)釜的加熱溫度為150 ?250°C。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟2)中所述加熱恒溫時(shí)間為10?12h06.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟2)中所述的冷凍干燥為真空冷凍干燥，溫度為_(kāi)50°C?-15°C，真空度< 10Pa。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟2)中所述的冷凍干燥處理時(shí)間為2 ?5d08.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述制備方法制得的石墨烯海綿材料長(zhǎng):20 ?100cm、寬:20 ?100cm、高:10 ?35cm。9.據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述制備方法制得的石墨稀海綿材料的比表面積為500?1000m2/g。10.據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述制備方法制得的石墨稀海綿材料用于凈化甲醛、二氧化硫、氨氣、一氧化氮或二氧化碳。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種吸附材料的制備方法，具體為一種空氣凈化用石墨烯海綿材料的制備方法，特別是該材料在空氣凈化方面的應(yīng)用。該材料為石墨烯納米片和碳納米管組成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該方法包括：1)超聲處理氧化石墨烯和碳納米管配成的混合水溶液；2)將步驟1)得到的溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，加熱恒溫后自然冷卻；冷凍干燥處理，得石墨烯海綿。采用本發(fā)明制備的石墨烯海綿材料解決了傳統(tǒng)吸附過(guò)程中的一些問(wèn)題，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，所制備的石墨烯基海綿比表面積大、吸附性能及循環(huán)性能優(yōu)異。
【IPC分類】C01B31/04
【公開(kāi)號(hào)】CN105110319
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510439073
【發(fā)明人】郝思嘉, 楊程, 戴圣龍, 張曉艷, 燕紹九
【申請(qǐng)人】中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院
【公開(kāi)日】2015年12月2日
【申請(qǐng)日】2015年6月26日