[發明專利]一種施氏礦物-氧化石墨烯復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201410514284.6
• 申請日: 2014-09-29
• 公開（公告）號: CN104310490A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 王建龍;徐樂瑾
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C01G49/08
• 分類號: C01G49/08;C01B31/04;B82Y30/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

技術領域

本發明屬于新型功能復合材料技術領域，具體涉及一種施氏礦物-氧化石墨烯復合材料及其制備方法。

背景技術

施氏礦物亦稱施威特曼石(Schwertmannite)，其化學式為Fe₈O₈(OH)_8-2x(SO₄)_x·nH₂O(其中1≤x≤1.75)，是一種低晶質羥基硫酸高鐵礦物，普遍存在于硫酸根含量豐富的酸性環境中，如酸性礦山廢水與酸性硫酸鹽土壤。由于具有納米級的粒度和不規則的孔道結構，其比表面積大(100–200m²/g)、反應活性強，并且含有大量羥基、硫酸根等基團，因此可將其作為催化劑或吸附劑，從而達到變廢為寶的目的。

石墨烯是一種由碳原子六元環的平面結構構成的新型二維碳納米材料，其理論比表面積非常大(2630m²/g)；其表面存在大量的環氧基團、羥基、羧基等含氧基團，具有獨特的納米結構和優異的吸附反應性能。但是由于氧化石墨烯的表面能較高，易發生團聚，并且分散于水中后難以從水溶液中分離出來，因此有必要對其進行表面改性。石墨烯具有優異的物理化學性能，以其作為基體負載氧化物得到的復合材料近年來受到了廣泛關注。若能制備一種復合材料，結合氧化石墨烯和施氏礦物的優點，既易于分離回收，又能避免氧化石墨烯的團聚，且工藝簡單，可以大規模生產，這種復合材料將會具有極大的應用前景(如催化劑、污水處理、電池材料等領域)。

發明內容

本發明的目的在于提供一種施氏礦物-氧化石墨烯復合材料及其制備方法。

一種施氏礦物-氧化石墨烯復合材料的制備方法，具體步驟如下：

將氧化石墨烯于去離子水中超聲分散；加入FeCl₃·6H₂O攪拌；然后加入Na₂SO₄，在60-85℃水浴條件下保溫；自然冷卻至室溫后離心，棄去上清液；采用pH?2.5的稀鹽酸溶液作為清洗液，將沉淀離心洗滌；最后真空干燥即制得施氏礦物-氧化石墨烯復合材料。

其中，FeCl₃·6H₂O與氧化石墨烯的質量比為5:1-10:1，FeCl₃·6H₂O與Na₂SO₄的質量比為3:1-4:1。

所述攪拌的時間為1-3h。

所述保溫的時間為12-60min。

所述離心條件為在10000-12000r/min下離心3-10min。

所述氧化石墨烯可以用如下方法制備：首先將可膨脹石墨1–2g加入反應容器中，加入濃硫酸，濃硫酸與石墨的質量比為70:1–200:1，在冰水浴中攪拌10–30min；緩緩加入高錳酸鉀，高錳酸鉀與石墨的質量比為1.5:1–6:1，保持體系溫度不超過15℃；反應完畢后撤出冰水浴，在溫度34-36℃下恒溫攪拌3天；然后分三次加入去離子水，第一次加入40mL，在59-61℃下攪拌30–60min，第二次加入40mL，在89-91℃下保持30–60min，第三次直接加入40mL去離子水；最后加入H₂O₂，所用H₂O₂為30wt％，H₂O₂與石墨的質量比為4.5:1–13.5:1。趁熱在10000–12000r/min下離心30min，棄去上清液，用體積比為1:10的鹽酸和蒸餾水離心洗滌，制得氧化石墨烯，冷凍干燥備用。

本發明的方法制備的施氏礦物-氧化石墨烯復合材料表面具有針狀毛刺，長約50nm，寬度在10nm左右；其比表面積為196.26m²/g，孔徑為3.87nm，孔體積為0.37cm³/g。

本發明的有益效果主要體現在：施氏礦物-氧化石墨烯復合材料的制備方法簡單，實驗條件溫和，對外界環境條件無特殊要求，占用空間小，所用原料價廉易得，且不存在二次污染；制得的復合材料比表面積較大，可阻止氧化石墨烯的團聚，保持復合材料中各組分的反應活性，并且易于分離回收，具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1施氏礦物-氧化石墨烯復合物的XRD表征譜圖。