一種石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠及其制備方法技術

本發明專利技術提供了一種石墨烯與ZIF?8復合氣凝膠材料及其制備方法，屬于功能材料制備技術領域，且該氣凝膠具有高的二氧化碳氣體吸附性能。所述制備方法包括以氧化石墨烯分散液為原料制得石墨烯水凝膠，和以石墨烯水凝膠為模板原位生長ZIF?8，得到石墨烯與ZIF?8復合氣凝膠材料。本發明專利技術使用水凝膠作為模板既提高了ZIF?8的負載效率，又簡化了制備工藝。該復合氣凝膠具有較大的比表面積，對1atm，298K下二氧化碳氣體具有良好的吸附性能，有望實現在氣體存儲領域的應用。

A 8 graphene and ZIF composite aerogel and preparation method thereof

The invention provides a graphene and ZIF 8 aerogel composite material and preparation method thereof, belonging to the technical field of functional material preparation, and the aerogel with high adsorption performance of carbon dioxide gas. The preparation method comprises the dispersion of graphene oxide as raw materials to prepare graphene hydrogels, and graphene hydrogel as template in situ growth of ZIF 8, graphene and ZIF 8 aerogel composite material. The invention is used as a template not only improves the hydrogel loading efficiency of ZIF 8, and simplify the preparation process. The composite aerogel has a large specific surface area, and has a good adsorption performance for 1atm and 298K carbon dioxide gas. It is expected to be applied in the field of gas storage.

【技術實現步驟摘要】
一種石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠及其制備方法
本專利技術涉及一種石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠及其制備方法，尤其是它的CO2吸附性能，屬于功能材料制備

技術介紹
氧化石墨烯是石墨通過氧化還原法制備石墨烯的中間產物，它表面具有豐富的含氧基團(碳原子層平面上的羥基和環氧基、層邊緣的羰基和羧基)。可以通過一定的方法將二維氧化石墨烯還原組裝成為多孔、超輕的三維石墨烯氣凝膠。多孔的網絡結構賦予石墨烯較大的比表面積和孔隙率，可進一步用于負載各種功能體。金屬有機骨架化合物(MOFs)是一種通過金屬離子與多官能團有機配體配位而成的多孔晶體材料。它具有較大的孔隙率、比表面積和結構多樣性，因此在氣體吸附和分離領域得到廣泛應用。ZIFs材料是一類具有沸石骨架結構的金屬有機骨架材料，與其它類型的MOFs相比，ZIFs材料具有更高的比表面積和孔隙率、較高水熱穩定性和耐化學腐蝕性。其中ZIF-8是ZIFs材料中性能穩定且被研究最多的一類物質。ZIF-8具有的微孔尺寸和大于1500m2/g的比表面積，且所含堿性咪唑基團可提供利于某些氣體(如二氧化碳)吸附的氮原子。這些性質都使ZIF-8材料在氣體儲存與分離方面具有潛在的應用價值。考慮到ZIF-8粉末材料在實際應用中可加工方面存在局限性，因此將其負載于多孔材料中進行應用是一種優選方法。通常石墨烯氣凝膠具有三維網絡搭建所形成的介孔結構，該介孔結構為二氧化碳氣體進入孔材料內部提供通道，而且二氧化碳分子可以與具有微孔結構的ZIF-8中的堿性咪唑基團發生強相互作用。利用石墨烯氣凝膠與ZIF-8的協同作用構建的微孔/介孔多級孔結構，使得石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠材料對二氧化碳氣體具有高吸附性能。目前，石墨烯與ZIF-8復合材料的制備主要是通過原位法獲得二維復合結構，對于負載ZIF-8的石墨烯三維復合結構卻未見報道。本專利技術所要解決的技術問題在于突破現有的二維復合結構，以化學還原法獲得的石墨烯水凝膠為模板，實現ZIF-8在凝膠體系中的有序成核與生長。并通過常壓干燥法，制得具有多層次孔狀結構的復合氣凝膠材料。本專利技術所采用的制備方法工藝簡單、綠色環保，通過控制還原時間，可以地控制石墨烯表面的氧含量，從而控制石墨烯與ZIF-8復合比例，進而調控二氧化碳的吸附量。該復合氣凝膠在二氧化碳吸附和存儲，以及超級電容器等領域有著潛在應用價值。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠。本專利技術的目的還在于提供一種石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠的制備方法。如前所述，ZIF-8粉末材料在實際應用中可加工方面存在局限性，因此考慮將其負載于多孔材料中進行應用。石墨烯氣凝膠具有三維網絡搭建所形成的多孔結構，有利于負載ZIF-8材料。由于ZIF-8中的鋅離子可以與氧化石墨烯表面的含氧基團發生配位作用，所以ZIF-8可以在氧化石墨烯表面成核并生長。常規石墨烯氣凝膠的制備是以水為溶劑，通過冷凍干燥法，制得氣凝膠材料。本專利技術利用ZIF-8成核生長所需的有機溶劑環境，來置換石墨烯凝膠中的水，就可以通過常壓干燥法制得相應的石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠材料。本專利技術通過下述實驗方案實現的，具體是：以氧化石墨烯為原料，通過化學還原制備石墨烯水凝膠，以該水凝膠為三維模板，通過鋅鹽與2-甲基咪唑反應，在三維石墨烯表面均勻形成ZIF-8，通過常壓干燥最終制得石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠，該方法操作方便，實驗簡單易行。1.一種石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠，其特征在于：該復合氣凝膠的重量百分比組分為石墨烯占15％～30％，ZIF-8占70％～85％；該復合氣凝膠的密度為11.0mg/cm3～23.1mg/cm3；該復合氣凝膠具有多級孔狀結構，其中大孔徑尺寸分布范圍為500μm～50μm，介孔徑分布范圍為7nm～3nm，微孔徑分布范圍為小于1.2nm；在298K，1atm條件下，該氣凝膠對CO2的吸附量為0.80mmol/g～0.99mmol/g；2.制備所述石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟：(1)石墨烯水凝膠的制備：將氧化石墨烯分散液進行化學還原制得石墨烯水凝膠；還原劑為水合肼、抗壞血酸和碘化氫中的一種或幾種，還原溫度為90℃～95℃，還原時間為20min～40min，氧化石墨烯與還原劑的質量比為1:2～1:1；(2)石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠的制備：將步驟(1)所得石墨烯水凝膠浸入甲醇或異丙醇中進行溶劑置換，再將其多次交替浸入到無機鋅鹽的有機溶液和2-甲基咪唑的有機溶液中，經浸泡洗滌干燥，最終得到具有不同組分比例的石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠材料；置換溶劑與石墨烯水凝膠的體積比為3:1～4:1，置換時間為6h～12h；步驟(2)中無機鋅鹽溶液和2-甲基咪唑溶液濃度分別為5mmol/L～10mmol/L和40mmol/L～80mmol/L，無機鋅鹽溶液和2-甲基咪唑溶液體積比為1:1，反應溫度為25℃～40℃，反應時間為2h～4h。3.進一步，步驟(2)中的無機鋅鹽為硝酸鋅或氯化鋅。4.進一步，步驟(2)中的有機溶液中有機溶劑為甲醇或異丙醇。5.進一步，步驟(2)中浸泡時間為30min～60min。6.進一步，步驟(2)中干燥的溫度為40～60℃，干燥時間為12h～24h。本專利技術由于采取上述技術方案，具有以下優點：(1)本專利技術選用石墨烯水凝膠作為模板，ZIF-8能夠均勻負載于石墨烯氣凝膠內外表面。(2)本專利技術采用有機溶劑置換法，實現了常壓干燥法制備石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠。(3)本專利技術所制備的石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠具有微孔、介孔和大孔的多層次孔狀結構。(4)本專利技術所制備的石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠具有輕質特性，ZIF-8的負載重量百分比為70％-85％，氣凝膠密度范圍在11.0mg/cm3到23.1mg/cm3。(5)本專利技術所制備的石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠具有很好的二氧化碳吸附性能，高于同等條件下純石墨烯氣凝膠或純ZIF-8晶體的二氧化碳吸附量。(6)通過選擇復合次數，來控制ZIF-8的負載量。ZIF-8的負載量越高，其CO2的吸附性能越好。【附圖說明】圖1是本專利技術實施例1所得的石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠斷面的掃描電鏡圖；圖2a是本專利技術實施例1所得的石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠表面的掃描電鏡圖；圖2b是對比例1所制備的氣凝膠表面的掃描電鏡圖；圖3是本專利技術實施例1所得的石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠的孔徑分布曲線。圖4是本專利技術實施例1所得的石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠與對比例1純石墨烯基氣凝膠、純ZIF-8樣品在298K，1atm下CO2吸附量曲線。【具體實施方式】下面結合實施例對本專利技術進一步描述，但不因此將本專利技術限制在所述的實例范圍之中。實施例1.(1)石墨烯水凝膠的制備。以325目鱗片石墨為原料，通過Hummer法制備氧化石墨烯，得到4mg/mL的氧化石墨烯水溶液。取3mL氧化石墨烯水溶液加入到平底試管中，加入12mg抗壞血酸攪拌均勻后，置于95℃反應20min形成1.7cm3石墨烯水凝膠。(2)將上述1.7cm3石墨烯水凝膠浸入到6mL甲醇中6h進行溶劑置換。然后將凝膠充分浸入到5mL，10mmol/L的六水合硝酸鋅的40℃甲醇中，2h后將凝膠本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種石墨烯與ZIF?8復合氣凝膠，其特征在于：該復合氣凝膠的重量百分比組分為石墨烯占15％～30％，ZIF?8占70％～85％；該復合氣凝膠的密度為11.0mg/cm

【技術特征摘要】
1.一種石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠，其特征在于：該復合氣凝膠的重量百分比組分為石墨烯占15％～30％，ZIF-8占70％～85％；該復合氣凝膠的密度為11.0mg/cm3～23.1mg/cm3；該復合氣凝膠具有多級孔狀結構，其中大孔徑尺寸分布范圍為500μm～50μm，介孔徑分布范圍為7nm～3nm，微孔徑分布范圍為小于1.2nm；在298K，1atm條件下，該氣凝膠對CO2的吸附量為0.80mmol/g～0.99mmol/g。2.制備如權利要求1所述石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟：(1)石墨烯水凝膠的制備：將氧化石墨烯分散液進行化學還原制得石墨烯水凝膠；還原劑為水合肼、抗壞血酸和碘化氫中的一種或幾種，還原溫度為90℃～95℃，還原時間為20min～40min，氧化石墨烯與還原劑的質量比為1:2～1:1；(2)石墨烯與ZIF-8復合氣凝膠的制備：將步驟(1)所得石墨烯水凝...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蔣敏，李厚志，張建明，段詠欣，
申請(專利權)人：青島科技大學，
類型：發明
國別省市：山東,37