[發(fā)明專利]一種石墨烯/二氧化鈦納米顆粒復(fù)合材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710710696.0
• 申請日: 2017-08-18
• 公開（公告）號: CN107673444B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊冬芝;俞若夢;于中振;史永正
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號: C02F1/46
• 分類號: C02F1/46;C02F1/461;C02F1/469;C02F103/08
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種石墨烯/二氧化鈦納米顆粒復(fù)合材料的制備方法屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。紫外光照射氧化石墨烯和乙二醇鈦混合分散液的方法制備了一種復(fù)合材料，用于高性能電容吸附脫鹽。二氧化鈦納米顆粒均勻負(fù)載于石墨烯片層上，其中二氧化鈦具有低毒性、良好的穩(wěn)定性、高雙電層比電容的特點，使其成為電容吸附脫鹽的理想材料，石墨烯提供良好的導(dǎo)電性和大的比表面積，并且防止二氧化鈦納米顆粒的團聚。通過對材料的結(jié)構(gòu)和電容吸附脫鹽性能的表征可以發(fā)現(xiàn)，本專利所述的石墨烯/二氧化鈦納米顆粒復(fù)合材料具有較大的比表面積、較高的雙電層比電容以及良好的氯化鈉吸附性能。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，涉及無機復(fù)合材料，特別是一種石墨烯負(fù)載二氧化鈦納米顆粒形成的無機復(fù)合材料。

背景技術(shù)

隨著人口不斷增加，全球?qū)︼嬘盟男枨笠搽S之增加，水污染和淡水資源短缺是人類面臨的最大威脅之一。目前，許多地區(qū)利用海水淡化技術(shù)為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活提供淡水。然而，大部分成熟的海水淡化技術(shù)，如蒸餾、電滲析和反滲透等，都是高能耗、低產(chǎn)出并且依賴于昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施，這些弊端大大限制海水淡化技術(shù)在發(fā)展中國家的應(yīng)用。因此，開發(fā)低成本、設(shè)備簡單、操作便利的海水淡化技術(shù)是目前面臨的重要挑戰(zhàn)。在新興的海水淡化方法中，電容吸附脫鹽技術(shù)是眾望所歸的。

石墨烯具有電子電導(dǎo)率高、比表面積大、物理化學(xué)穩(wěn)定性好等特點，廣泛用于高效電化學(xué)體系。此外，不同于其他無定形或一維碳材料，石墨烯納米片易于自組裝形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅在溶液中提供大量用于擴散的孔，而且還為功能性無機物的生長和錨定提供了大量負(fù)載位點。金屬氧化物的結(jié)合將顯著提高石墨烯材料的電容。二氧化鈦具有低毒性、良好穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的特點，在石墨烯/金屬氧化物納米復(fù)合材料方向有很好的發(fā)展前景。本專利基于上述幾點，利用簡單的紫外光照法，制備了二氧化鈦納米顆粒負(fù)載的石墨烯材料，提升了電容吸附氯化鈉性能。前驅(qū)體乙二醇鈦在紫外光照條件下可發(fā)生水解，生成含有正三價鈦離子的無定形二氧化鈦；氧化石墨烯納米片上下表面都含有大量電負(fù)性的含氧官能團(如羥基，環(huán)氧和羧基等)，為含有正三價鈦的無定形二氧化鈦提供生長位點，生成氧化石墨烯/二氧化鈦顆粒納米復(fù)合物。熱處理后，二氧化鈦由無定型轉(zhuǎn)化為銳鈦礦相，氧化石墨烯轉(zhuǎn)化為還原氧化石墨烯。銳鈦礦相二氧化鈦納米顆粒均勻負(fù)載于還原氧化石墨烯層形成的納米復(fù)合物，通過調(diào)節(jié)實驗參數(shù)，可以控制二氧化鈦納米顆粒直徑在5nm以下，從而提供更高的比表面積，石墨烯具有很好的導(dǎo)電性并且防止二氧化鈦納米顆粒的團聚。利用循環(huán)伏安法測定不同條件下制備的復(fù)合材料的比電容為19.7-63.7F g^-1，遠高于石墨烯的比容量9.5F g^-1。在電容吸附氯化鈉實驗中，石墨烯/二氧化鈦納米顆粒復(fù)合材料的吸附容量在7.6-12.6mg g^-1，經(jīng)過5次吸附-清洗過程，吸附容量保持初始容量的90％以上。

發(fā)明內(nèi)容：本發(fā)明的目的在于介紹一種簡便的制備石墨烯/二氧化鈦納米顆粒復(fù)合材料的方法。通過工藝參數(shù)控制，調(diào)節(jié)二氧化鈦納米顆粒大小及比電容。在電容吸附脫鹽領(lǐng)域，依照本發(fā)明所制備的石墨烯/二氧化鈦納米顆粒復(fù)合材料有較高的比電容和氯化鈉吸附容量。

本發(fā)明實現(xiàn)目的的技術(shù)方案如下：

一種簡便的石墨烯/二氧化鈦納米顆粒復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：在紫外光照射的條件下，二氧化鈦納米顆粒均勻負(fù)載于石墨烯納米片上形成納米復(fù)合物，通過調(diào)節(jié)實驗參數(shù)，可以控制二氧化鈦納米顆粒直徑，石墨烯具有很好的導(dǎo)電性并且防止二氧化鈦納米顆粒的團聚，可以提供超高的比電容及吸附容量。所述復(fù)合材料的制備包括以下步驟：

(1)Hummers’法制備氧化石墨烯：

采用天然石墨作為原料，將5g天然石墨，5g硝酸鈉，150mL濃硫酸加入三口燒瓶中，冰浴攪拌下加入15g高錳酸鉀，35℃保持6h，加入200mL水，升溫至90℃保持30min，加入雙氧水，靜置后水洗離心至中性。將得到的氧化石墨泥漿冷凍干燥，重新分散在去離子水中，超聲30min，得到氧化石墨烯分散液。

(2)乙二醇鈦的制備：