[發明專利]具有夾心結構石墨烯/金屬納米粒子復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310044628.7
• 申請日: 2013-02-05
• 公開（公告）號: CN103157809A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 楊文彬;唐小紅;劉歡銳;謝長瓊;夏安
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: B22F9/24
• 分類號: B22F9/24;B22F1/02;C23C18/16;C01B31/04;B82Y40/00
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技術領域

本發明涉及一種具有夾心結構的石墨烯/金屬納米粒子復合材料及其制備方法，屬于納米制備領域。

背景技術

碳是最重要的元素之一，它有著獨特的結構與性質。碳材料是地球上普遍的材料之一，它可以形成硬度較大的金剛石，也可以形成較軟的石墨。其形態也是多種多樣，有0維的富勒烯、1維的碳納米管、3維的石墨。對于碳材料的2維結構探索，早在1934年，Peierls就提出準二維晶體材料，但是由于其本身的熱力學不穩定性，在室溫環境下會迅速分解或拆解。1986年，Mermin和Wagner提出Mermin-Wagner理論，指出波長的起伏也會使長程有序的二維晶體受到破壞。因此二維晶體石墨烯只是作為研究碳質材料的理論模型，一直未受到廣泛關注。直到2004年由曼徹斯特大學Geim等人成功運用機械剝落法制備出單層2維結構的石墨烯片，2005年該課題組和Columbia大學的科研人員通過實驗方法證實了石墨烯中的準粒子是無質量的Dirac費米子，該研究結果一經報道便引起了學術界的轟動，隨即國內外科研人員開展了對石墨烯研究熱潮。

石墨烯是由碳原子以sp²雜化連接的單原子層構成的，其基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環，其理論厚度僅為0.35nm，是目前所發現最薄的二維材料。由于石墨烯具有優良的導電性能(1.5×104cm²/vs)和熱導率(3000W/(m·K))、較高的比表面積(2600m²/g)和力學性能，其理論楊氏模量達到1000GPa，拉伸強度可以達到125GPa。

利用石墨烯較大的比表面積和薄層片狀結構，將金屬納米粒子分散在石墨烯表面形成一種具有夾心結構的石墨烯/金屬納米粒子復合材料。這不僅可以克服石墨烯層間巨大的范德華力，防止石墨烯的團聚，使單層石墨烯的獨特性質得以保留；同時，得到的夾心結構石墨烯/金屬納米復合材料可能產生一些新穎的界面效應和協同效應。

目前，Warner等在1×10^-6毫巴壓力下，在320℃下將鈷納米粒子附著在石墨烯的表面而制備出石墨烯/鈷納米復合材料(Warner?J?H，Rumme?li?M?H，Bachmat?iuk?A，et?al.ACS?Nano，2010，4，470-476.)。Yang等在氬氣保護下，通過高溫(800℃)分解石墨烯/金屬有機復合物前驅體而制備出石墨烯/鈷納米復合材料(Yang?S?B，Cui?G?L，Pang?S?B，e?t?a?l.ChemSusChem，2010，3，236-239.)。Sumi?t等先將氧化石墨烯與鎳離子形成絡合物，再在450℃、氫氣氣氛下還原制備出夾心結構的鎳/石墨烯/鎳納米復合材料，并研究了在自旋電子學方面的應用(Sumit?M，Shyamal?K?S.Nanoscale，2012，4，986-990.)。以上三種制備方法均需要高溫，反應條件比較苛刻，而且產量低。

武漢理工大學的雷蕓等將氧化石墨烯與CoSO₄溶液混合，采用功能離子預吸附的方式，將鈷離子有效地吸附在氧化石墨烯載體上，再通過原位還原制備出石墨烯/鈷納米復合材料(雷蕓，張科，潘群，等.硅酸鹽通報，2011，30，98-100.)。江蘇大學的季振源較為系統地進行了石墨烯/磁性金屬納米復合材料的合成與性能研究。在乙二醇溶液中，通過原位還原法成功合成了石墨烯/Co納米復合材料，生成的Co納米粒子粒徑為3nm，緊密均勻地附著在石墨烯片的表面，有效地阻止了石墨烯片的堆積(季振源.江蘇大學碩士學位論文，2011，15-59.)。采用上述方法制備石墨烯/磁性金屬納米復合材料時，能使石墨烯和磁性金屬被還原出來，但不能保證還原出的金屬沉積在石墨烯表面，因此有可能不能得到具有夾心結構的石墨烯/金屬納米粒子復合材料，而只是石墨烯與金屬納米粒子的混合物，這可能會限制納米復合材料性能的最優化。