[發(fā)明專利]親水性石墨烯/尖晶石型鐵氧體復(fù)合材料的制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011135091.1
• 申請(qǐng)日: 2020-10-20
• 公開（公告）號(hào): CN112246243A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胥煥巖;李博
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J23/745
• 分類號(hào): B01J23/745;B01J23/75;B01J23/755;B01J23/78;B01J23/80;B01J23/889;B01J31/02;B01J21/18
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本發(fā)明涉及石墨烯的功能化及復(fù)合材料的原位組裝制備，屬無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域。本方法可以連續(xù)實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的功能化、尖晶石型鐵氧體晶粒的原位負(fù)載和功能化氧化石墨烯的原位還原，制備出具有優(yōu)良親水性能的石墨烯/尖晶石型鐵氧體復(fù)合材料，原料易得、工藝簡單、操作便捷。具體步驟：調(diào)節(jié)氧化石墨烯水溶液pH值至酸性，加入改性劑，超聲分散，然后60℃恒溫1~4小時(shí)；將所得混合液pH值調(diào)至中性后加入含鐵試劑，再超聲分散，85~95℃恒溫，滴加沉淀劑，形成結(jié)晶產(chǎn)物，滴加完畢后繼續(xù)恒溫3~5小時(shí)；磁分離后，以特定溶劑反復(fù)洗滌結(jié)晶產(chǎn)物，60℃烘干12小時(shí)。本方法制備的石墨烯/尖晶石型鐵氧體復(fù)合材料的水接觸角只有15.02°，表現(xiàn)出了優(yōu)異的親水性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯的功能化及復(fù)合材料的原位組裝制備，屬無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在過去的二十年內(nèi)，現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展、農(nóng)業(yè)化學(xué)藥品及各類護(hù)理用品的廣泛應(yīng)用，水體中內(nèi)分泌干擾物、鹵代脂肪族和芳香族化合物等難降解污染物廣泛存在并累積。基于非均相反應(yīng)的高級(jí)氧化技術(shù)(AOPs)是一種很有前途的廢水回收技術(shù)。為此，開發(fā)新型高效且環(huán)境友好的非均相催化劑是AOPs研究中的熱點(diǎn)問題。

尖晶石型鐵氧體是一種離子型化合物，通式為AB₂O₄。A和B通常為過渡金屬元素，A²⁺離子占據(jù)八面體空隙，B³⁺離子一半占據(jù)四面體空隙，另一半占據(jù)八面體空隙。由于尖晶石鐵氧體特殊的結(jié)構(gòu)和化合價(jià)比，其可在自身完成氧化還原循環(huán)。相比于均相離子反應(yīng)，基于尖晶石型鐵氧體的非均相氧化還原反應(yīng)速率大大提高。將其應(yīng)用于高級(jí)氧化技術(shù)中是十分具有研究價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義的。但是，僅僅通過調(diào)配元素種類以及晶粒尺寸來提升尖晶石鐵氧體的性能終究是局限性研究。石墨烯作為一種二維材料，其具有優(yōu)異的理化性質(zhì)，例如載流子高遷移率和突出的比表面積。若將尖晶石鐵氧體負(fù)載到石墨烯表面，二者之間產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)無疑使得這種功能性復(fù)合材料在環(huán)境工程領(lǐng)域的潛在價(jià)值得到提升。然而，由于部分尖晶石型鐵氧體的亞磁性以及石墨烯的疏水特性，導(dǎo)致這種復(fù)合材料進(jìn)行非均相催化反應(yīng)的過程中容易聚集，失去分散穩(wěn)定性，活性降低。為此，對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化增強(qiáng)其親水性是彌補(bǔ)上述弊端的有效辦法。目前，石墨烯功能化方法眾多，例如π-π鍵、氫鍵、離子鍵相互作用進(jìn)行的非共價(jià)鍵功能化以及碳骨架的共價(jià)鍵功能化。如果采用上述方法單獨(dú)對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化，會(huì)增加整個(gè)制備過程的工藝步驟與操作難度，有悖于資源節(jié)約及環(huán)境友好的發(fā)展理念。

本發(fā)明的創(chuàng)新思想是，以氧化石墨烯和易得的化學(xué)試劑為原材料，開發(fā)一種工藝簡單、操作可控的液相制備工藝，連續(xù)實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的功能化、尖晶石型鐵氧體的原位負(fù)載以及功能化氧化石墨烯的原位還原。該方法無需分離中間體，能在較大程度上節(jié)省經(jīng)濟(jì)和資源。通過研究發(fā)現(xiàn)，采用該方法制備的親水性石墨烯/尖晶石鐵氧體復(fù)合材料的水接觸角較小，可在水溶液中均勻分散30min以上。此外，該方法制備的復(fù)合材料催化非均相Fenton反應(yīng)可使甲基橙染料(20mg/L)在60min內(nèi)100％降解。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供的親水性石墨烯/尖晶石型鐵氧體復(fù)合材料的制備方法，其基本思想是利用氧化石墨烯表面豐富的含氧基團(tuán)與有機(jī)改性劑接枝，再借助氧化石墨烯表面電負(fù)性優(yōu)先吸附尖晶石型鐵氧體中的金屬陽離子，從而實(shí)現(xiàn)尖晶石型鐵氧體納米晶粒在氧化石墨烯表面的原位負(fù)載。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)條件的控制，同步完成功能化氧化石墨烯的原位還原。

本發(fā)明提供的親水性石墨烯/尖晶石型鐵氧體復(fù)合材料的制備方法，其主要技術(shù)方案如下：

1)調(diào)節(jié)氧化石墨烯水溶液pH值至酸性，加入一定質(zhì)量的改性劑，超聲分散，然后60℃恒溫1～4小時(shí)；

2)將1)獲得的混合液pH值調(diào)節(jié)至中性后，加入一定質(zhì)量的含鐵試劑，超聲分散，85～95℃恒溫，滴加沉淀劑，形成結(jié)晶產(chǎn)物，滴加完畢后繼續(xù)恒溫3～5小時(shí)；