[發明專利]一種石墨烯/金屬氧化物納米復合材料粉體的制備方法

無效

• 申請號: 201210268145.0
• 申請日: 2012-07-30
• 公開（公告）號: CN102757041A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: 姜再興;張大偉;李俊;布赫;張冬潔;董巍;管世安;李晶波;李悅;黃玉東;孟令輝;劉麗
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;C01B13/14;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術領域

本發明涉及石墨烯/金屬氧化物納米復合材料的制備方法。

背景技術

金屬氧化物是金屬元素和氧元素結合形成的化合物。金屬氧化物的種類繁多，除了Au、Pt等少數活潑性特別弱的金屬以外，其他金屬都有相應的金屬氧化物。變價金屬一般有多種氧化物，例如，鐵元素具有氧化亞鐵(FeO)、氧化鐵和四氧化三鐵(Fe₃O₄)三種氧化物。金屬氧化物在催化領域中的地位很重要，它作為主催化劑、助催化劑和載體被廣泛使用。就主催化劑而言，金屬氧化物催化劑可分為過渡金屬氧化物催化劑和主族金屬氧化物催化劑，后者主要為固體酸堿催化劑(見酸堿催化作用)。金屬氧化物顆粒的粒徑是影響其催化效果的重要影響因素之一，粒徑越小，表面積越大，催化效果越優異。然而，高的表面能又導致了氧化物顆粒的自團聚，因此，目前很難得到小粒徑的金屬氧化物顆粒。

石墨烯是近年來發現的一種二維碳材料。它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬，具有比碳納米管更大的比表面積。石墨烯是由碳六元環組成的二維周期蜂窩狀點陣結構，它可以翹曲成零維的富勒烯，卷成一維的碳納米管或者堆垛成三維的石墨，因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環，是目前最理想的二維納米材料。理想的石墨烯結構是平面六邊形點陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp²雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導電性。石墨烯的合成方法主要有兩種：機械方法和化學方法。機械方法包括微機械分離法、取向附生法和加熱SiC的方法；化學方法是化學還原法與化學解理法。目前，化學還原法是大量的、低廉的制備石墨烯的唯一方法。正是由于其高的比表面積、超高的穩定性、超強的強度等諸多優點，使其成為理想的金屬氧化物載體。但是化學還原法需要肼進行還原，而肼具有劇毒，不利于石墨烯的大批量制備。此外，石墨烯粉體制備時需要進行提純、干燥等工序，不到嚴重降低其產率，操作也非常復雜，能耗較高。

發明內容

本發明要解決現有石墨烯的制備過程中有毒、不能大規模生產以及現有技術很難得到小粒徑的金屬氧化物顆粒的問題，而提供一種石墨烯/金屬氧化物納米復合材料粉體的制備方法。

一種石墨烯/金屬氧化物納米復合材料粉體的制備方法按以下步驟進行：

一、石墨氧化：

將石墨加入強氧化酸和硝酸鹽的混合物中，冷卻至-5℃～0℃，在攪拌下加入含鉀強氧化劑，然后升溫至0℃～60℃，并繼續攪拌24h～48h，得混合液，將混合液倒入10℃～50℃的溫水浴中，繼續反應40min～60min，然后加入熱水，使體系沸騰并保持20min～40min，再添加雙氧水，攪拌至完全溶解，然后水洗、過濾至濾餅中無SO₄^2-，干燥，即得氧化石墨，其中石墨與強氧化酸的質量比為1∶(0.025～5)；石墨與硝酸鹽的質量比為1∶(0.2～8)；石墨與含鉀強氧化劑的質量比為1∶(0.1～4)；石墨與雙氧水的質量比為1∶(0.125～4)；其中，所述的強氧化酸為濃硫酸或高氯酸，所述的含鉀強氧化劑為高錳酸鉀或高氯酸鉀，所述的硝酸鹽為硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鎂、硝酸鈣或硝酸鋁；

二、氧化石墨母液剝離：

將步驟一得到的氧化石墨溶于溶劑中，并在超聲波頻率為100W～2000W的條件下超聲震蕩0.5h～12h，得到氧化石墨烯溶液；其中所述溶劑為水、乙醇、丙酮、乙二醇、四氫呋喃或N，N-二甲基甲酰胺；

三、氧化石墨烯母液的提純：

將步驟二得到的氧化石墨烯溶液在離心機轉數為3000rpm～10000rpm的條件下離心，將離心所得液體的上層溶液收集，冷凍干燥，即得氧化石墨烯粉體；

四、石墨烯/金屬氧化物納米復合材料粉體的制備：