[發(fā)明專利]一種氧化鐵納米顆粒/石墨烯?聚酰亞胺基碳?xì)饽z復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510616446.1
• 申請日: 2015-09-24
• 公開（公告）號: CN105244484B
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉天西;張由芳;樊瑋;鄢家杰;左立增;黃云鵬;張龍生;郜偉
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01G11/30;C01B32/05;C01B32/20
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司31200
• 代理人: 陸飛,盛志范

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于過渡金屬氧化物-碳?xì)饽z技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氧化鐵納米顆粒/石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

碳?xì)饽z因其具有高孔隙率、質(zhì)輕、比表面積大、孔洞結(jié)構(gòu)易于調(diào)節(jié)及穩(wěn)定性好、導(dǎo)電率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)作載體材料、吸附材料及各種電極材料等，是目前及未來研究的熱點(diǎn)。在我們的研究中，已經(jīng)可以制備具有高比表面積的石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z（專利201510442266.6）。

氧化鐵納米顆粒具有無毒、環(huán)境友好、易于制備及催化性能好、理論比容量高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生物傳感、催化、超級電容器及鋰離子電池的電極材料等領(lǐng)域而成為研究熱點(diǎn)。但氧化鐵納米顆粒由于表面能大而易于團(tuán)聚，該團(tuán)聚問題大大限制了其性能的發(fā)揮。本發(fā)明利用具有高比表面積的石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z來均勻分散氧化鐵納米顆粒，制備得到氧化鐵納米顆粒/石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種制備過程環(huán)保、制備成本較低的氧化鐵納米顆粒/石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z復(fù)合材料及其制備方法。

本發(fā)明提供的氧化鐵納米顆粒/石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z復(fù)合材料，由氧化鐵納米顆粒均勻負(fù)載在石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z上而構(gòu)成。該復(fù)合材料是采用鐵鹽在氫氧化鉀活化的石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z上原位生長氧化鐵納米顆粒制備得到，其原料包括：一種或多種水溶性聚酰亞胺前驅(qū)體-聚酰胺酸、氧化石墨烯、氫氧化鉀、尿素、鐵鹽。該復(fù)合材料具有氧化鐵納米顆粒小且分布均勻、高孔隙率、高比表面積、高導(dǎo)電率、物理化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)

本發(fā)明提供的氧化鐵納米顆粒/石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z復(fù)合材料的制備方法，具體步驟如下：

（1）制備氫氧化鉀活化的石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z，所制備的碳?xì)饽z記為G-PI based CA。其制備方法可采用發(fā)明人的中國專利申請201510442266.6中所描述的方法；

（2）將鐵鹽、尿素溶于有機(jī)溶劑，制備得到鐵鹽溶液；

（3）將制備得到的石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z與上述鐵鹽溶液在一定溫度下通過溶劑熱反應(yīng)一段時(shí)間，然后用去離子水、乙醇洗滌，再干燥，得到氧化鐵納米顆粒/石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z復(fù)合材料；

（4）將上述得到的氧化鐵納米顆粒/石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，以完善氧化鐵納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中，步驟（2）所述的有機(jī)溶劑包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮及乙醇，優(yōu)選N,N-二甲基甲酰胺。

本發(fā)明中，步驟（2）所述的鐵鹽包括九水合硝酸鐵、七水合硫酸亞鐵、無水三氯化鐵、六水合三氯化鐵，優(yōu)選九水合硝酸鐵。

本發(fā)明中，步驟（2）所述的鐵鹽溶液的濃度范圍為5-50mg/mL，優(yōu)選20-30 mg/mL，尿素的濃度為5-20 mg/mL，優(yōu)選5-10 mg/mL。

本發(fā)明中，步驟（3）所述的溶劑熱反應(yīng)溫度范圍為100-200 °C，優(yōu)選100-150°C，反應(yīng)時(shí)間為6-24 h，優(yōu)選10-15 h。

本發(fā)明中，步驟（4）所述的熱處理溫度范圍為450-650°C，優(yōu)選500-600 °C，熱處理的時(shí)間范圍為1-3 h，優(yōu)選1.5-2 h。

使用掃描電子顯微鏡（SEM）、電化學(xué)工作站來表征本發(fā)明所獲得的氧化鐵納米顆粒/石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)形貌及用作檢測多巴胺生物傳感器的性能研究，其結(jié)果如下：

（1）SEM的測試結(jié)果表明：采用溶膠-凝膠法、冷凍干燥技術(shù)及氫氧化鉀活化技術(shù)制備的石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z，其內(nèi)部孔洞大小比較均一、分布均勻。本發(fā)明中所制備的純氧化鐵納米顆粒較大，且團(tuán)聚成小球狀，而氧化鐵納米顆粒/石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z復(fù)合材料上氧化鐵納米顆粒分布均勻，且顆粒尺寸較小，從而說明石墨烯-聚酰亞胺基碳?xì)饽z較好的抑制了氧化鐵納米顆粒的團(tuán)聚。這種孔徑大小均一，孔徑分布相對較窄，且骨架上布滿氧化鐵納米顆粒的碳?xì)饽z是制備高靈敏性生物傳感器、高性能吸附材料以及超級電容器、鋰離子電池等新能源器件的理想電極材料。參見附圖1；