[發明專利]一種三氧化鎢/氮摻雜石墨烯復合物的制備方法

有效

• 申請號: 201810407429.0
• 申請日: 2018-05-02
• 公開（公告）號: CN108658059B
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 陳偉凡;徐強;許云鵬;堯牡丹;王立中;柳麗蕓;方曉辰
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C01G41/02
• 代理公司: 南昌新天下專利商標代理有限公司 36115
• 代理人: 施秀瑾

一種三氧化鎢/氮摻雜石墨烯復合物的制備方法，包括以下步驟：根據目標產物的制備量及其中三氧化鎢的含量，稱取相應量的鎢酸銨與適量的硝酸銨和有機燃料，溶于少量水中，加入相應體積的濃度為0.5～5g/L的氧化石墨烯水溶膠中，經攪拌超聲得到均勻的混合分散液；（2）將步驟（1）得到的分散液加熱濃縮至粘稠，放入溫度為300～900℃的加熱爐內引燃，燃燒完成后，得到固體產物，即得三氧化鎢/氮摻雜石墨烯復合物。本發明合成溫度低、時間短、設備簡單、成本低廉、高效率、高產率、易于工業化制備。

技術領域

本發明屬于材料合成技術領域，涉及碳基納米復合材料制備的制備方法。

背景技術

石墨烯(Graphene，簡稱 GN)具有導電性好、比表面積大、導熱性高、機械強度、彈性優異及化學性質穩定等特殊性能，已大量應用于傳感器、生物探測、儲能、催化等各個領域。目前，對石墨烯進行摻雜或原位復合，制備功能化石墨烯是現在廣泛關注的熱點。對于化學摻雜來講，N原子由于具有與C原子近似的原子半徑，可以作為電子供體以取代的方式對石墨烯進行摻雜，生成的氮摻雜石墨烯在電子設備、光伏產業和傳感器等方向表現出較純石墨烯更多優異的性能。三氧化鎢(WO₃)是一種n型寬禁帶半導體氧化物，價格低廉、易制備、性能穩定、無毒、無害，在光電化學領域得到了廣泛應用。WO₃與石墨烯復合有助于擴大其比表面積，增大接觸面積，從而提高其化學活性，在氣體探測、光探測、催化和能源儲存等領域展示了廣闊的應用前景。

目前，各種合成石墨烯負載三氧化鎢納米復合材料的方法根據三氧化鎢是否在石墨烯上原位生成可以分為兩類：原位合成技術和異位合成技術，其中水/溶劑熱法是合成硫化物石墨烯基復合納米材料應用最廣泛的一種原位合成技術。氧化石墨烯 (GrapheneOxide，簡稱 GO) 由于含有含氧官能團，能均勻分散在水中，且容易大量合成，成為最常用的原料，如Fang Fang等以(NH₄)₁₀H₂(W₂O₇)₆為鎢源，草酸為沉淀劑，硫酸銨為形貌改進劑，在180 ℃下水熱處理24 h，洗滌干燥后再在800℃氬氣氣氛下處理2h，合成三氧化鎢/石墨烯復合物(Fang Fang, Xinyuan Gu, Feilong Wu, et al. Journal of Power Sources,2016, 320, 231-238)；Jie Lian 等以Na₂WO₄?2H₂O為鎢源，NaCl為形貌改進劑，加入GO分散液中，2 M的鹽酸將PH調至2，在180 ℃下水熱處理24 h，經離心洗滌干燥后，得到三氧化鎢/石墨烯復合物(Jie Lian , Mingpeng Yu , Hongtao Sun , et al. Materials Letters, 2013, 108, 29-32)；Kyung-Won Park等先將一定量的GO超聲分散在5 M 的鹽酸中，再加入(NH₄)₁₀H₂(W₂O₇)₆超聲溶解，在140 ℃下水熱處理6 h，洗滌干燥后，再經過450 ℃高溫煅燒2 h，得到三氧化鎢/石墨烯復合物(Kyung-Won Park, Da-Mi Kim, Si-Jin Kim , etal. Electrochimica Acta, 2015, 163, 132-139)。水/溶劑熱法合成三氧化鎢/石墨烯復合納米材料的特點是合成步驟少、無需另加還原劑，但是合成需要高壓且時間較長。異位合成技術在合成三氧化鎢/石墨烯復合納米材料方面也有不少報道，其主要包括負載三氧化鎢納米粒子分散液和GO/GN分散液的預先制備以及二者混合還原兩個步驟。Gang Gu等首先用Na₂WO₄?2H₂O和HBF₄為原料120 ℃下水熱處理10 h，洗滌干燥后得到三氧化鎢納米片，再將三氧化鎢納米片加入到GO分散液中，攪拌幾個小時，真空抽濾，再在600 ℃氬氣氣氛下處理2 h，得到三氧化鎢/石墨烯復合物(Gang Gu, Fanyan Zeng, Yufei Ren, et al.Electrochimica Acta, 2016, 190, 964-971) ；II–Doo Kim等首先用靜電紡絲法得到鎢前驅體/PVP復合纖維，再在500 ℃高溫處理1 h得到三氧化鎢納米線，將其超聲分散在酒精中，再將三氧化鎢的酒精分散液與石墨烯的丙酮分散液混合，經過濾洗滌干燥后，得到三氧化鎢/石墨烯復合物(II-Doo Kim, Seon-Jin Choi, Chanyong Choi, et al. Sci Rep.,2015, 5, 8067-8072)；Peng Cui等首先用水熱法制備三氧化鎢納米棒，將其分散在去離子水中，將GO超聲分散在酒精溶液中，再將兩種分散液混合，在150 W的氙燈下照射4 h，離心干燥后得到三氧化鎢/石墨烯復合物(Peng Cui , Minjie Zhou, Jianhui Yan , et al.Materials Letters, 2012, 89, 258-261)。綜上所述，合成三氧化鎢/石墨烯復合納米材料盡管已取得巨大的進展，但是無論是原位合成技術，還是異位合成技術，都涉及洗滌、過濾和干燥等步驟，普遍存在合成步驟多、時間長、固液分離困難、間歇性操作、產量低等諸多問題，嚴重阻礙了三氧化鎢/石墨烯復合納米材料的商業化合成。