新材料及其应用

本发明公开了一种内部结构可调节的石墨烯水凝胶的制备方法。该方法包括如下步骤：1)将氧化石墨烯粉末，在超声波辅助下分散于去离子水中，得到氧化石墨烯水分散液；2)将还原剂分散于所述氧化石墨烯水分散液中，形成混合分散液；3)利用酸液或碱液调节所述混合分散液体系的pH值；4)将调节好pH值的混合分散液在50～100℃反应1～12h，反应结束后将产物取出洗涤得到石墨烯水凝胶。相比传统制备方法，本发明改进了所制备石墨烯水凝胶的内部空隙结构，可以根据实际应用需要，制备出含有不同孔隙结构的水凝胶。本发明制备工艺简单，反应条件温和可控，不需复杂设备，并且容易实现工业化生产。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接而成的二维材料，具有极为突出的导电、导热及力学性能，在化学储能，催化，传感器和高强度材料方面具有潜在的应用价值，吸引了越来越多关注的目光。但是，由于石墨烯片层之间具有很强的相互作用力——范德华力，因此石墨烯片层在实际应用中非常容易团聚在一起，严重影响石墨烯材料的性能。而以石墨烯片层为骨架，将其自组装成具有三维结构的石墨烯材料，是避免石墨烯片层之间的堆叠的重要解决方法，能够充分利用单层石墨烯片层的优异性能，并且具有超高比表面积、独特的多孔结构以及良好的机械性能。石墨烯水凝胶是三维石墨烯材料的一种，含水率通常在80％以上，通常以氧化石墨烯水分散液为前驱体，经还原后便可制得。除了具有普通三维石墨烯的性能优点外，石墨烯水凝胶还具有优良的机械性能，加工处理过程也比较简单，可以直接作为超级电容器的电极、吸附材料、催化剂载体等。并且，石墨烯水凝胶的制备过程也相对简单，容易工业化生产，因而已经成为当今世界应用前景最广泛的石墨烯材料之一。

相比于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1)本发明可以根据石墨烯水凝胶的不同应用需求，通过调节前驱体的pH值，调节石墨烯/氧化石墨烯片层之间的相互作用力，有效调控石墨烯水凝胶的内部孔隙结构，制备孔径从小到大的一系列水凝胶；大孔径的水凝胶可以提供更大的比表面积，在催化和能量储存领域具有更好的应用价值；而小孔径的水凝胶具有更强的力学性能，更适合需要一定刚性的应用；另外，通过本方法制备不同孔径的水凝胶，可以用于研究孔径和性能的关系，进一步优化材料性能；

2)本发明通过调整前驱体的pH值，再经过一步化学还原法，就可以实现不同孔径石墨烯水凝胶的制备，工艺简单，无需高温高压，反应条件温和可控，不需复杂设备，易于实现工业化生产。