本发明专利技术涉及一种石墨烯/金属氧化物杂化气凝胶、制备方法及其应用，属于纳米材料应用领域。所述杂化气凝胶由石墨烯网络和金属氧化物网络组成，两个网络相互缠绕形成杂化气凝胶，其中金属氧化物网络也为结晶态。所述杂化气凝胶的制备包括制备氧化石墨烯有机溶液，并在其中加入可溶性金属盐和环氧化物，得到均匀不流动的杂化湿凝胶，经干燥和炭化得到所述的石墨烯/金属氧化物杂化气凝胶。所述杂化气凝胶可作为储能材料、电磁屏蔽材料、生物酶的催化载体和CO2的吸附材料，具有广泛的应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种石墨烯/金属氧化物杂化气凝胶、制备方法及其应用，属于纳米材料应用领域。
技术介绍
石墨烯是目前世界上最薄也是最坚硬的纳米材料。而且还具有诸多优异的物理化学性能。例如石墨烯的导热系数高达5300W/m-K,高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V · s，也比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10_6Ω · cm,比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，可以看作是一层被剥离的石墨片层，每个碳原子通过很强的σ键与其他三个碳原子相连接，这些很强的C-C键致使石墨烯片层具有优异的结构刚性。碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未成键的π电子，这些π电子与平面成垂直的方向可形成π轨道，π电子可在晶体 中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性，并给予石墨烯诸多优异的物理化学性质，可以用它构筑不同性能的石墨烯基材料。如申请号为201110207639. 3，专利技术名称为“吸收高频电磁波的石墨烯与四氧化三铁复合材料及制法”的专利技术专利申请，是在石墨烯中加入铁离子，高位氧化后得到石墨烯与四氧化三铁的复合材料。但所述复合材料为粉末状的无定形态，不具有优良的内部结构。在能源材料中，最先进的超级电容器电极材料是RuO2，但是由于其价格十分昂贵且容易造成环境污染，限制了其应用。过渡族金属氧化物尤其是具有磁性的金属氧化物，能广泛应用于磁性分离、磁诊断以及电磁屏蔽领域而备受关注。此外磁性金属氧化物Fe203、NiOXo3O4也是一种非常重要的电极材料，它们价格低廉、具有高的比容量且对环境无污染，被认为是最合适的RuO2替代材料。但是几乎所有的金属氧化物都是电的绝缘体，使的它们的应用受到很大限制，为了解决这个问题，人们通常往金属氧化物材料中添加导电填料(例如石墨、碳纳米管和石墨烯等)来改善复合材料的导电性。另一方面，随着生物催化技术的高速发展，人们对生物催化剂载体的要求也越来越高，目前最常规的方法就是把酶或者细胞固定在多孔的基质里，例如多孔二氧化硅、介孔活性炭以及高分子聚合物中。但是酶或者细胞在使用过程中难以从反应体系中分离出来，造成循环使用十分不便。于是磁性分离在这个过程中也就显得愈发重要。作为一种新颖的多孔材料。气凝胶具有高的孔隙率(809Γ98%)、超高的比表面积(2(T2000m2/g)、连续的多孔性等优异的性能，可作为储氢材料以及生物催化剂载体。因此，将磁性、能源、介质材料与石墨烯气凝胶进行功能化，可得到具有不同用途的新型的功能材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种石墨烯/金属氧化物杂化气凝胶、制备方法以及应用，所述杂化气凝胶具有结晶双网络结构，与传统的气凝胶相比性能更加优异，能广泛应用于储能器件的电极材料、酶的固定化、电磁屏蔽以及气体吸附领域。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下—种石墨烯/金属氧化物杂化气凝胶，所述杂化气凝胶是由二维的石墨烯晶体导电网络和结晶的金属氧化物网络组成，两个网络相互缠绕形成凝胶骨架构成杂化气凝胶。所述杂化气凝胶具有结晶双网络，其结构定义为若任意移除一个网络(石墨烯网络或者金属氧化物网络)，气凝胶仍然能保持其块状结构。优选所述杂化气凝胶的孔径为1ηπΓ20 μ m,孔隙率为88% 98%，密度为O. 03 O. 80g/cm3,比表面积为 2(T2000m2/g，导电率为 l(T5102S/m。优选所述金属氧化物为Fe203、Co3O4、NiO、ZrO2、SnO2、TiO2、V205、La203、Cr203、Al2O3、ZnO、CeO2 ； 一种石墨烯/金属氧化物杂化气凝胶的制备方法，所述方法步骤如下(I)制备氧化石墨烯溶液；其中，氧化石墨烯溶液采用石墨烯制备领域中的常规方法，在水系环境中制备得至丨J，如申请号为201010263656. 4，专利技术名称为“一种石墨烯气凝胶及其制备方法”中氧化石墨烯溶液的制备方法；(2)用乙醇置换氧化石墨烯溶液中的水，离心分离得到沉淀物，将得到的沉淀物分散在有机溶剂中，得到氧化石墨烯有机溶液；优选所述有机溶剂选自乙醇、二甲基甲酰胺(DMF)、异丙醇、甲醇、四氢呋喃或N甲基批略烧丽。优选得到氧化石墨烯有机溶液后，将氧化石墨烯的浓度配制为fl2mg/mL。(3)在氧化石墨烯有机溶液中加入可溶性金属盐，分散得到均匀的悬浮液I ;所述可溶性金属盐不含结晶水或含有不同数目的结晶水；优选所述可溶性金属盐选自含有Fe3+、Co2+、Ni2+、Zr4+、Sn4+、Ti4+、V5+、La3+、Cr3+、Al3+、Zn2+、Ce4+的硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐或氯化物。(4)向悬浮液I中加入环氧化物，分散得到均匀的悬浮液2 ;将悬浮液2在20° (T80° C下静置2 48h，得到均匀不流动的杂化湿凝胶。优选所述环氧化物选自环氧丙烷、环氧氯丙烷、或环氧溴丙烷。所述环氧化物作为一种质子捕捉剂，将水中的氢离子捕捉后，留下的羟基与金属离子结合，形成金属氢氧化物，环氧化物的加入量，以能将金属离子全部转化为金属氢氧化物为准；优选环氧化物与金属离子的摩尔比为3 Γ50 :1。优选步骤(3)和步骤(4)中，分散方式为超声分散或乳化分散，所述乳化是在高速剪切分散机上进行。(5)将杂化湿凝胶进行干燥，得到非晶态的杂化气凝胶。优选步骤(5)中，所述干燥过程为冷冻干燥，具体为向杂化湿凝胶中加入乙醇或丙酮，浸泡5 10h后将乙醇或丙酮倒出，重复Γ8次后，向杂化湿凝胶中加入水，浸泡5 IOh后将水倒出，重复2 4次后，将杂化湿凝胶在-5° (T-50° C下冷冻> 30min，然后在10° (Tl00° C干燥30mirT48h，得到非晶态的杂化气凝胶；冷冻和干燥过程均在f IOOOPa的真空度下进行。所述冷冻干燥工艺不受冷冻干燥设备的限制，可在任何商业的或非商业的冷冻干燥设备中完成。杂化湿凝胶也可以先采用液氮冷冻，然后转入冷冻干燥器中真空干燥；也可以在冷冻干燥器中直接冷冻干燥。冷冻方式可以采用定向冷冻(控制冷冻方向)，也可以采用非定向冷冻。优选步骤(5)中，所述干燥过程为超临界流体方式干燥，具体为向杂化湿凝胶中加入乙醇或者丙酮，浸泡5 10h后倒出，重复Γ8次，得到杂化醇凝胶或杂化酮凝胶，然后用超临界乙醇或超临界二氧化碳干燥> 2h，得到非晶态的杂化气凝胶。所述的超临界干燥工艺不受超临界干燥设备的限制，可在任何商业的或非商业的超临界干燥设备中完成杂化醇(或酮)凝胶的超临界干燥，以获得杂化气凝胶。(6)将杂化气凝胶在惰性气体保护下进行炭化，得到本专利技术所述的结晶双网络石墨烯/金属氧化物杂化气凝胶；所述炭化温度为260 800° C，惰性气体为氩气或者氮气，升温速率为I 50 ° C/ min,炭化时间为]Λ481 ,降温速率为]Λ50° C/min。所述炭化可以在高温炭化炉中进行。一种石墨烯/金属氧化物杂化气凝胶的应用，所述应用是将所述杂化气凝胶作为超级电容器的电极材料，得到的超级电容器比容量为10(Tl000F/g，内阻彡O. 2 Ω，漏电流(ImA,循环10000次以后，比电容保持在初始电容的90%以上。一种石墨烯/金属氧化物杂化气凝胶的应用，所述应用是将所述杂化气凝胶作为锂离子电池的负极材料，所述负极材料的初次本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种石墨烯/金属氧化物杂化气凝胶，其特征在于：所述杂化气凝胶是由二维的石墨烯晶体导电网络和结晶的金属氧化物网络组成，两个网络相互缠绕构成凝胶骨架构成杂化气凝胶。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张学同，陈亮，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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