一種碳材料及其制備方法和用途
【專利摘要】一種碳材料及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明所述碳材料的基本結(jié)構(gòu)單元為石墨烯；石墨烯之間由共價(jià)鍵連接；具有>90%的孔隙率。制備方法是：將石墨烯氧化物的有機(jī)溶劑分散液在加熱（130-250℃）和加壓條件（0.5~2.6MPa）下進(jìn)行反應(yīng)；所得反應(yīng)產(chǎn)物和水進(jìn)行溶劑交換；再通過冷凍除水干燥；最后在惰性氣體或真空條件下進(jìn)行加熱干燥，得到所述的碳材料。本發(fā)明方法制得的碳材料在孔隙率和導(dǎo)電性及三維結(jié)構(gòu)方面性能優(yōu)良，可滿足許多領(lǐng)域的應(yīng)用要求，包括吸附材料、載體材料、壓縮材料等。
【專利說明】一種碳材料及其制備方法和用途
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳納米材料領(lǐng)域，涉及一種碳材料的制備方法，由該方法制得的碳材料及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是新型碳材料，因其特殊結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性質(zhì)在眾多方面有廣泛的應(yīng)用前景。因此利用石墨烯作為基本結(jié)構(gòu)單元制備的材料也應(yīng)具有良好的性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用前景，特別是在高比表面和高導(dǎo)電材料等方面都有重要的用途，如可以用于吸附分離、載體材料、彈性材料和電極材料等?，F(xiàn)有類似的工作，以泡沫金屬為模板生長三維石墨烯材料，機(jī)械性能很差，并不能獨(dú)立存在，只能作為導(dǎo)電骨架與其他增強(qiáng)材料復(fù)合使用[I]。將氧化石墨烯水溶液直接冷凍干燥，也可獲得三維石墨烯材料，同樣，由于成型時(shí)單片的氧化石墨烯沒有在較高的溫度下發(fā)生交聯(lián)，機(jī)械性能也很差[2]。此外，還有工作報(bào)道將氧化石墨烯溶液與其它材料混合后反應(yīng)生成三維石墨烯復(fù)合材料，例如加入碳納米管[3]，聚吡咯[4]，聚氨酯[5]，乙二胺等[6]，由于有其他材料的混入，并不能充分發(fā)揮石墨烯本身的優(yōu)良性質(zhì)。
[0003]參考文獻(xiàn)
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種碳材料及其制備方法和應(yīng)用；本發(fā)明將二維的石墨烯材料制成三維石墨烯材料，在保持原有二維石墨烯的優(yōu)良性質(zhì)的同時(shí)，獲得超1?孔隙率的二維石墨稀塊體材料。
[0005]本發(fā)明提供的碳材料的特征在于:
a、所述碳材料的基本結(jié)構(gòu)單兀為石墨??；b、石墨烯之間由共價(jià)鍵連接；
C、具有>90%的孔隙率(poroity); d、具有良好的壓縮性。
[0006]本發(fā)明同時(shí)提供了一種碳材料的制備方法，該方法包括:
第1、利用石墨烯氧化物或包含石墨烯氧化物的分散液為原料，分散液所用溶劑為有機(jī)溶劑，包括醇、丙酮或其混合液；分散液中固體含量為0.l-10mg/ml之間；
第2、上述分散液在封閉體系(加壓0.5^2.6 MPa)中和130_250°C溫度下進(jìn)行反應(yīng)；
第3、上述第2步獲得的產(chǎn)物和水進(jìn)行溶劑交換；
第4、上述第3步獲得的產(chǎn)物再經(jīng)干燥處理，除去其中吸附的水；
第5、上述第4步中獲得的產(chǎn)物再在惰性或真空條件下加熱處理。
[0007]所述石墨烯氧化物或包含石墨烯氧化物的分散液是濃度為0.l-10mg/ml的乙醇或其他有機(jī)溶劑溶液。
[0008]本發(fā)明還提供了所述碳材料在制備高吸附材料、載體材料、彈性體材料等方面的用途，具體包括:
I)作為載體材料的用途，用于負(fù)載其他材料；如用于負(fù)載磁性材料并用作磁性驅(qū)動(dòng)器件。
[0009]2)作為吸附材料的用途，還可以用于液體負(fù)載、吸附或轉(zhuǎn)移材料。
`[0010]3)作為廢液、廢油或漏油清除材料的用途。
[0011]
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
本發(fā)明方法制得的碳材料具有比重小，孔隙率高可達(dá)99%以上，并且同一樣品的導(dǎo)電性可隨壓縮程度在0.05 S/nTlO S/m范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，可壓縮性能極好，壓縮比可達(dá)500%以上，并完全恢復(fù)原形狀并反復(fù)多次，及三維結(jié)構(gòu)方面性能優(yōu)良，可滿足許多領(lǐng)域的應(yīng)用要求，包括吸附材料、載體材料、壓縮材料等。
[0012]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1中所制得碳材料的照片，ei，b, c分別為不同體積的碳材料。
[0014]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所得產(chǎn)物的壓縮性能。
[0015]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所得產(chǎn)物的吸附性能，其中吸附質(zhì)量比為樣品吸附有機(jī)試劑的質(zhì)量與樣品本身質(zhì)量的比值。
[0016]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1所得碳材料制備的磁性驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)電磁鐵開關(guān)打開時(shí)，負(fù)載有磁性顆粒的樣品(磁性驅(qū)動(dòng)器)收縮。當(dāng)電磁鐵開關(guān)關(guān)閉時(shí)，樣品回復(fù)原始形狀。
[0017]
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了說明，這些說明僅為示例性的，不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，為了使表述更加簡潔，所述優(yōu)選實(shí)施方式是以單獨(dú)的方式給出的。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在沒有相反表示的情況下，多個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式可以結(jié)合使用，以取得更加優(yōu)良的技術(shù)效果。
[0019]碳材料的制備方法，所述方法包括:
i)將石墨烯氧化物的有機(jī)溶劑分散液在加熱(130-250°C)和加壓條件(0.5~2.6 MPa)下進(jìn)行反應(yīng)；以及，
ii)將i)所得反應(yīng)產(chǎn)物和水進(jìn)行溶劑交換；以及，
iii)將ii)所得產(chǎn)物通過冷凍除水干燥；以及，
iiii)將iii)所得產(chǎn)物在惰性氣體或真空條件下進(jìn)行加熱干燥。
[0020]實(shí)施例
[0021]下面將通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述，所述實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明，不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員結(jié)合本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以顯而易見地想到對(duì)其做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)或調(diào)整，這些改進(jìn)或調(diào)整后的【具體實(shí)施方式】仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0022]實(shí)施例1、碳材料制備
本實(shí)施例以石墨烯氧化物為原料，乙醇為有機(jī)溶劑，通過溶劑熱反應(yīng)制備具有高孔隙率且具高導(dǎo)電和高彈性的碳材料。具體步驟如下:
將石墨烯氧化物GO (可參照ACS Nano 2，463-470 (2008)制備)的乙醇溶液(濃度為
0.375mg/ml)放入高壓反應(yīng)器中r 2 MPa)，在180 V反應(yīng)8_20h，然后小心從反應(yīng)器中取出得到的中間體產(chǎn)物。然后利用水對(duì)此吸附了乙醇溶劑的中間體產(chǎn)物進(jìn)行緩慢(I ml/min)的溶劑交換，使其中的乙醇全部被水交換，獲得吸附了水的中間體產(chǎn)物，然后再對(duì)此產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥除去其中的水。最后對(duì)此產(chǎn)物在真空或惰性氣氛中進(jìn)行400 °C加熱處理，即獲得產(chǎn)物，該產(chǎn)物具有密度小(密度~1.1 mg/cm3),孔隙率高r 99.94 % )，可循環(huán)壓縮，導(dǎo)電性好(電導(dǎo)率、.7 S/m)，比表面高(330m2/g)等特點(diǎn)。圖1為該產(chǎn)物的光學(xué)照片，
a,b,c分別為不同體積的碳材料。
[0023]該材料具有很好的壓縮循環(huán)性，見圖2。
[0024]實(shí)施例2、碳材料制備
利用其他溶劑如丙酮、甲醇、丙醇作為溶劑，在實(shí)施例1同樣條件條件下也可制備同樣的產(chǎn)物。此外，其中反應(yīng)物的濃度可以從0.1-0.5mg/ml,反應(yīng)溫度可以從150-220度，反應(yīng)壓力可以是0.3-1.5 MPa，反應(yīng)時(shí)間可為8-20小時(shí)，同樣可以獲得類似的產(chǎn)物。
[0025]實(shí)施例3、碳材料制備
將石墨烯氧化物GO的乙醇溶液(濃度為5 mg/ml)放入高壓反應(yīng)器中r 2 MPa)，在1800C反應(yīng)10-18h，然后小心從反應(yīng)器中小心取出得到的中間體產(chǎn)物。然后利用水對(duì)此吸附了乙醇溶劑的中間體產(chǎn)物進(jìn)行緩慢的溶劑交換，使其中的乙醇全部被水交換，獲得吸附了水的中間體產(chǎn)物，然后再對(duì)此產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥除去其中的水。最后對(duì)此產(chǎn)物在真空或惰性氣氛中進(jìn)行400 1:和I h的加熱處理即獲得產(chǎn)物(碳材料，密度~8 mg/cm3,孔隙率~99.4 % )。類似的改變反應(yīng)溫度為200°C也可獲得同樣的產(chǎn)物。
[0026]實(shí)施例4、碳材料制備
將石墨烯氧化物GO的甲醇溶液(濃度為3 mg/ml)放入高壓反應(yīng)器中C 1.3 MPa)，在150 0C反應(yīng)10-18h，然后小心從反應(yīng)器中小心取出得到的中間體產(chǎn)物。然后利用水對(duì)此吸附了甲醇溶劑的中間體產(chǎn)物進(jìn)行緩慢的溶劑交換，獲得吸附了水的中間體產(chǎn)物，然后再對(duì)此產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥除去其中的水。最后對(duì)此產(chǎn)物在真空或惰性氣氛中在800 1:和加熱處理2h即獲得同樣的產(chǎn)物。
[0027]實(shí)施例5、碳材料制備
將石墨烯氧化物GO的丙醇溶液(濃度為0.47 mg/ml)放入高壓反應(yīng)器中r 1.9 MPa),在200 0C反應(yīng)12-24h，然后小心從反應(yīng)器中小心取出得到的中間體產(chǎn)物。然后利用水對(duì)此吸附了丙醇溶劑的中間體產(chǎn)物進(jìn)行緩慢(I ml/min)的溶劑交換，使其中的丙醇全部被水交換，獲得吸附了水的中間體產(chǎn)物，然后再對(duì)此產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥除去其中的水。最后對(duì)此產(chǎn)物在真空或惰性氣氛中進(jìn)行600 1:和I h的加熱處理即獲得產(chǎn)物。
[0028]實(shí)施例6、碳材料制備
將石墨烯氧化物GO的乙醇溶液(濃度為0.1 mg/ml)放入高壓反應(yīng)器中r 2 MPa)，在180 0C反應(yīng)12-18h，然后小心從反應(yīng)器中小心取出得到的中間體產(chǎn)物。然后利用水對(duì)此吸附了乙醇溶劑的中間體產(chǎn)物進(jìn)行緩慢(I ml/min)的溶劑交換，使其中的乙醇全部被水交換，獲得吸附了水的中間體產(chǎn)物，然后再對(duì)此產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥除去其中的水。最后對(duì)此產(chǎn)物在真空或惰性氣氛中進(jìn)行400 1:和3 h的加熱處理即獲得產(chǎn)物。
[0029]實(shí)施例7、碳材料制備
將石墨烯氧化物GO的正丁醇混合溶液(濃度為0.47 mg/ml)放入高壓反應(yīng)器中r 0.7MPa)，在180 0C反應(yīng)24h，然后小心從反應(yīng)器中小心取出得到的中間體產(chǎn)物。然后利用水對(duì)此吸附了正丁醇溶劑的中間體產(chǎn)物進(jìn)行緩慢(I ml/min)的溶劑交換，使其中的正丁醇全部被水交換，獲得吸附了水的中間體產(chǎn)物，然后再對(duì)此產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥除去其中的水。最后對(duì)此產(chǎn)物在真空或惰性氣氛中進(jìn)行1000 1:和I h的加熱處理即獲得產(chǎn)物。
[0030]實(shí)施例8、碳材料制備
將石墨烯氧化物GO的正戊醇混合溶液(濃度為0.12 mg/ml)放入高壓反應(yīng)器中r 0.5MPa)，在180 0C反應(yīng)12h，然后小心從反應(yīng)器中小心取出得到的中間體產(chǎn)物。然后利用水對(duì)此吸附了正戊醇溶劑的中間體產(chǎn)物進(jìn)行緩慢(I ml/min)的溶劑交換，使其中的正戊醇全部被水交換，獲得吸附了水的中間體產(chǎn)物，然后再對(duì)此產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥除去其中的水。最后對(duì)此產(chǎn)物在真空或惰性氣氛中進(jìn)行400 1:和6 h的加熱處理即獲得產(chǎn)物(碳材料，密度~1.8 mg/cm3,孔隙率"99.89 % )。
[0031]實(shí)施例9、碳材料制備
將石墨烯氧化物GO的乙醇與丙醇混合溶液(乙醇與丙醇體積比為1:1，G0濃度為0.44mg/ml)放入高壓反應(yīng)器中r I MPa)，在160 V反應(yīng)12h，然后小心從反應(yīng)器中小心取出得到的中間體產(chǎn)物。然后利用水對(duì)此吸附了混合溶劑的中間體產(chǎn)物進(jìn)行緩慢(I ml/min)的溶劑交換，使其中的混合溶劑全部被水交換，獲得吸附了水的中間體產(chǎn)物，然后再對(duì)此產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥除去其中的水。最后對(duì)此產(chǎn)物在真空或惰性氣氛中進(jìn)行400 1:和1 h的加熱處理即獲得產(chǎn)物。
[0032]實(shí)施例10、碳材料制備將石墨烯氧化物GO的乙醇與丙醇混合溶液(乙醇與丙醇體積比為1:1，G0濃度為0.44mg/ml)放入高壓反應(yīng)器中r 1.6 MPa)，在180 V反應(yīng)12_18h，然后小心從反應(yīng)器中小心取出得到的中間體產(chǎn)物。然后利用水對(duì)此吸附了混合溶劑的中間體產(chǎn)物進(jìn)行緩慢(I ml/min)的溶劑交換，使其中的混合溶劑全部被水交換，獲得吸附了水的中間體產(chǎn)物，然后再對(duì)此產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥除去其中的水。最后對(duì)此產(chǎn)物在真空或惰性氣氛中進(jìn)行400 1:和I h的加熱處理即獲得產(chǎn)物(碳材料，密度~1.3 mg/cm3,孔隙率~99.92 % )。
[0033]實(shí)施例11、碳材料制備
將石墨烯氧化物GO的丙醇混合溶液(濃度為I mg/ml)放入高壓反應(yīng)器中r 0.5MPa)，在150 0C反應(yīng)20h，然后小心從反應(yīng)器中小心取出得到的中間體產(chǎn)物。然后利用水對(duì)此吸附了丙醇溶劑的中間體產(chǎn)物進(jìn)行緩慢(I ml/min)的溶劑交換，使其中的丙醇全部被水交換，獲得吸附了水的中間體產(chǎn)物，然后再對(duì)此產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥除去其中的水。最后對(duì)此產(chǎn)物在真空或惰性氣氛中進(jìn)行500 1:和I h的加熱處理即獲得產(chǎn)物(碳材料，密度~2.3 mg/cm3,孔隙率"99.86 % )。
[0034]實(shí)施例12、碳材料制備
將石墨烯氧化物GO (可參照ACS Nano 2，463-470 (2008)制備)的丙酮混合溶液(濃度為0.21 mg/ml)放入高壓反應(yīng)器中r 0.8 MPa)，在130 V反應(yīng)12h，然后小心從反應(yīng)器中小心取出得到的中間體產(chǎn)物。然后利用水對(duì)此吸附了丙酮溶劑的中間體產(chǎn)物進(jìn)行緩慢(I ml/min)的溶劑交換，使其中的丙酮全部被水交換，獲得吸附了水的中間體產(chǎn)物，然后再對(duì)此產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥除去其中的水。最后對(duì)此產(chǎn)物在真空或惰性氣氛中進(jìn)行400 °C和Ih的加熱處理即獲得產(chǎn)物。
[0035]實(shí)施例13、碳材料的吸附性能
將上述實(shí)施例制備的碳材料·放入汽油或其它液體中，它即可吸附大量的這些液體，然后其中被吸附的液體可通過壓縮擠出，而該碳材料可循環(huán)使用，達(dá)到吸附和清楚這些液體或廢液的目的，其吸附能力可達(dá)其自身重量的10萬倍以上，見圖3，其中吸附質(zhì)量比為樣品吸附有機(jī)試劑的質(zhì)量與樣品本身質(zhì)量的比值。
[0036]實(shí)施例14、基于該碳材料的磁驅(qū)動(dòng)器件制備及其性能 該碳材料可用于負(fù)載各種材料并獲得各種應(yīng)用。
[0037]該實(shí)施例利用其負(fù)載Fe3O4制備磁驅(qū)動(dòng)器件為例說明。首先配制Fe3O4分散液,再利用該材料的高孔隙率吸附上述Fe3O4分散液，再通過干燥除去溶劑即得負(fù)載了 Fe3O4的復(fù)合材料，把該復(fù)合材料根據(jù)需要剪裁成一定形狀置于磁場(chǎng)中即形成磁驅(qū)動(dòng)器件(圖4)。
[0038]通過變換交流磁場(chǎng)的強(qiáng)度和頻率，即可改變上述材料(磁驅(qū)動(dòng)器件)的形狀和體積，達(dá)到磁驅(qū)動(dòng)的目的。當(dāng)電磁鐵開關(guān)打開時(shí)，負(fù)載有磁性顆粒的樣品(磁性驅(qū)動(dòng)器)收縮；當(dāng)電磁鐵開關(guān)關(guān)閉時(shí)，樣品回復(fù)原始形狀。
【權(quán)利要求】
1.一種碳材料，其特征在于: a、所述碳材料的基本結(jié)構(gòu)單兀為石墨??； b、石墨烯之間由共價(jià)鍵連接； C、具有>90%的孔隙率(poroity)； d、具有良好的可壓縮性。
2.—種碳材料的制備方法,其特征在于該方法包括: 第1、利用石墨烯氧化物或包含石墨烯氧化物的分散液為原料，分散液所用溶劑為有機(jī)溶劑，包括醇、丙酮或其混合液；分散液中固體含量為0.l-10mg/ml之間； 第2、上述分散液在封閉體系中和130-250°C溫度下進(jìn)行反應(yīng)； 第3、上述第2步獲得的產(chǎn)物和水進(jìn)行溶劑交換； 第4、上述第3步獲得的產(chǎn)物再經(jīng)干燥處理，除去其中吸附的水； 第5、上述第4步中獲得的產(chǎn)物再在惰性或真空條件下加熱處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述石墨烯氧化物或包含石墨烯氧化物的分散液是濃度為0.l-10mg/ml的醇、丙酮或其混合溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在利用石墨烯氧化物或包含石墨烯氧化物的分散液在封閉體系加熱進(jìn)行反`應(yīng)。
5.權(quán)利要求1所述碳材料或權(quán)利要求2所述方法制備的碳材料的用途，用做載體材料，負(fù)載其他材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用途，用于負(fù)載磁性材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用途，用于負(fù)載磁性材料并用作磁性驅(qū)動(dòng)器件。
8.權(quán)利要求1所述碳材料或者權(quán)利要求2或3所述方法制備的碳材料的用途，用做液體負(fù)載、吸附或轉(zhuǎn)移材料。
9.權(quán)利要求1所述碳材料或者權(quán)利要求2或3所述方法制備的碳材料的用途，用做廢液或廢油或漏油清除材料。
【文檔編號(hào)】C01B31/02GK103626154SQ201310637034
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】陳永勝, 吳英鵬, 黃璐, 易寧波, 常慧聰, 肖培雙 申請(qǐng)人:南開大學(xué)