[發明專利]一種還原性石墨烯包裹四氧化三鈷復合納米纖維及其制備工藝

有效

• 申請號: 201410592978.1
• 申請日: 2014-10-28
• 公開（公告）號: CN104451952A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 李曉干;王兢;馮秋霞
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: D01F9/08
• 分類號: D01F9/08;D01F11/00;D01D5/00
• 代理公司: 北京金之橋知識產權代理有限公司 11137
• 代理人: 林建軍

技術領域

本發明屬于納米材料技術領域，具體涉及一種還原性石墨烯包裹四氧化三鈷復合納米纖維及其制備工藝。

背景技術

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構新材料。是由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。由于石墨烯的尺寸很小，故比表面積大，對氣體的吸附能力強。同時研究表明，石墨烯自身具有高導電性、高強度、超輕薄等特性，可廣泛應用于移動設備、航空航天、新能源電池領域。

四氧化三鈷(Co₃O₄)是一種重要的正常尖晶石型結構的過渡金屬氧化物，具有獨特的光、電、磁、電化學、催化等性能，除應用于超硬材料、搪瓷陶瓷顏料等傳統領域外、還廣泛地應用于壓敏氣敏傳感器、催化劑、超級電容器、平板顯示器、磁性材料和鋰離子電池正極材料等眾多新領域。

在復合材料領域，石墨烯由于極大的比表面積，不但有利于第二種材料以石墨烯的表面作為基底進行生長；而且便于第二種材料的均勻分散，以獲得高比表面積的復合材料，比如以石墨烯為基底生長碳納米管的石墨烯/碳納米管納米復合材料，以石墨烯為基底生長金屬氧化物顆粒的石墨烯/金屬氧化物復合材料等。這些以石墨烯為基底的復合材料，已經在能源，傳感器，催化劑等領域顯示出了其強大的應用前景，成為了當前研究的一大熱點。由于石墨烯優良的性能，使得石墨烯與四氧化三鈷復合材料導電性和氣敏特性都得到了增強，因此四氧化三鈷/石墨烯復合納米材料的制備和性能研究一直是當前的熱點之一并已經取得了積極的進展。

但在相關專利文獻中可知，本領域技術人員通常采用水/溶劑熱法、液相?控制沉淀法、溶膠-凝膠法、聲化學法、微波輔助法等來制備石墨烯與四氧化三鈷復合物，但這些方法生成的微觀結構是層狀、片狀或顆粒狀，例如申請號為201210087432.1，申請日為2012年03月29日的中國發明專利，公開了一種石墨烯/二氧化錫納米復合電阻型薄膜氣體傳感器及其制作方法，其中所述的石墨烯和二氧化錫納米復合物氣敏薄膜，是采用水熱法制備石墨烯/二氧化錫納米復合物，氣敏薄膜是由具有三維納米結構的石墨烯納米片層和具有定向生長特性的二氧化錫納米晶體顆粒復合物組成。而石墨烯納米片層結構和二氧化錫納米晶體顆粒結構，使得該氣敏薄膜對氣體選擇性較差，對氣體的吸附能力還有待優化，并且得到的還原性石墨烯容易被氧化成氧化石墨烯。因此，制備出一種工藝步驟簡單，成本低且化學性質穩定，氣敏特性好，導電性強的四氧化三鈷/石墨烯復合納米材料成為本領域技術人員亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種還原性石墨烯包裹四氧化三鈷復合納米纖維及其制備工藝，本發明的還原性石墨烯包裹四氧化三鈷復合納米纖維氣敏特性強，復合物的電導率高。同時本發明采用靜電紡絲法獲得氧化石墨烯與鈷的硝酸鹽先驅物等構成的納米纖維，通過N₂環境兩步煅燒法實現還原氧化石墨烯包裹四氧化三鈷的納米纖維，其制備工藝簡單成本低，獲得還原性石墨烯包裹四氧化三鈷復合納米纖維化學性質穩定、氣敏特性良好。

本發明提供主要技術方案為：

一種還原性石墨烯包裹四氧化三鈷復合納米纖維，包括還原性石墨烯和四氧化三鈷，所述還原性石墨烯包裹在所述四氧化三鈷上，所述還原性石墨烯占復合納米纖維的質量分數為1％～10％。

優選地，還原性石墨烯占復合納米纖維的質量分數為1％～5％。

所述的還原性石墨烯包裹四氧化三鈷復合納米纖維的平均直徑為200nm～300nm。

所述四氧化三鈷呈纖維狀，所述還原性石墨烯包裹在所述四氧化三鈷上呈?褶皺狀，所述四氧化三鈷的平均直徑為20nm～40nm；優選地，所述四氧化三鈷平均直徑為30nm。

一種還原性石墨烯包裹四氧化三鈷復合納米纖維的制備工藝，包括以下步驟：

步驟一，制備氧化石墨烯分散液：將0.02～1.6質量份的氧化石墨烯分散到0.06～8質量份的二甲基甲酰胺中，經過超聲機超聲后，得到氧化石墨烯分散液；

步驟二，制備含有硝酸鈷的混合液：將6～60質量份的六水合硝酸鈷溶解到15～150質量份的乙醇中得到溶液a，將6～60質量份聚乙烯吡咯烷酮溶解到15～150質量份的乙醇中得到溶液b，將溶液a與溶液b通過磁力攪拌混合至澄清，得到含有硝酸鈷的混合液；

步驟三，制備靜電紡絲前驅液：將步驟一制備出的氧化石墨烯分散液加入到步驟二中含有硝酸鈷的混合液中，通過磁力攪拌得到靜電紡絲前驅液；