[发明专利]石墨烯/稀土氟化物纳米复合材料及其插层剥离合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯/稀土氟化物纳米复合材料及其合成方法。

背景技术

石墨烯是拥有sp²杂化轨道的二维碳原子晶体，这是目前世界上最薄的材料-单原子厚度的材料。石墨烯具有极好的结晶性和独特的电子学、热力学、力学性能，可以应用于许多先进材料与器件中，如薄膜材料、储能材料、液晶材料、机械谐振器等。因此，越来越多的学者参与到石墨烯复合材料的合成与性能的研究。目前，所合成的石墨烯/无机纳米复材料主要有石墨烯/二氧化硅、石墨烯/二氧化钛、石墨烯/贵金属和石墨烯/碳化钨等。

石墨烯纳米复合材料的合成方法主要是先让氧化石墨与其它材料复合，再将其中的氧化石墨还原得到石墨烯纳米复合材料，或者用改性过的石墨烯与其它材料复合。Williams等人将氧化石墨加入通过异丙氧基钛水解得到的二氧化钛乙醇胶体中，并进行超声处理，从而得到氧化石墨/二氧化钛纳米分散液，并在紫外光照射下对氧化石墨进行还原，最终得到了石墨烯/二氧化钛纳米复合材料。Ramanathan等人将改性后的石墨烯与PMMA采用溶液分散法进行复合，并对其热力学性能、机械性能以及流变性能进行了表征。改性石墨烯/PMMA复合材料的玻璃化温度比纯PMMA提高了将近30摄氏度，弹性模量增加了30％，硬度增加了5％。Watcharotone等人将氧化石墨/二氧化硅溶胶涂于硼硅酸盐玻璃上，然后将干燥后的样品置于充满水合肼蒸汽的容器中进行还原，最终得到石墨烯/二氧化硅纳米复合材料，其导电性和石墨烯的比重有关；但是肼毒性极强，对眼睛有刺激作用，能引起延迟性发炎，对皮肤和粘膜也有强的腐蚀作用，生产安全性差。

稀土元素特殊的电子构型使其具有特殊的光、电、磁性质，而被誉为新材料的宝库。稀土纳米化后，表现出许多特性，如小尺寸效应、高比表面效应、量子效应、极强的光、电、磁性质、超导性、高化学活性等，能大大提高材料的性能和功能。因此，稀土纳米材料在生物、医疗、催化、电池等很多领域有着广阔的应用前景。

发明内容

本发明目的是提供石墨烯/稀土氟化物纳米复合材料及其插层剥离合成方法。

石墨烯/稀土氟化物纳米复合材料由稀土盐溶液、膨胀石墨、表面活性剂溶液和氟源溶液制成；其中稀土盐溶液、膨胀石墨、表面活性剂溶液和氟源溶液的摩尔比为1∶(0.01～10)∶(0.1～10)∶(0.1～5)；稀土溶液的浓度为0.05～2mol/L；表面活性剂溶液的浓度为0.05～2mol/L；氟源溶液的浓度为0.05～2mol/L；稀土溶液为稀土硝酸盐溶液或稀土氯化物溶液；稀土硝酸盐溶液中溶质为硝酸钇、硝酸钪、硝酸镧、硝酸铈、硝酸镨、硝酸钕、硝酸钐、硝酸铕、硝酸钆、硝酸铽、硝酸镝、硝酸钬、硝酸铒、硝酸铥、硝酸镱、硝酸镥中的一种或几种的混合，溶剂为水、乙醇、乙二醇中的一种或几种的混合；稀土氯化物溶液中溶质为氯化钇、氯化钪、氯化镧、氯化铈、氯化镨、氯化钕、氯化钐、氯化铕、氯化钆、氯化铽、氯化镝、氯化钬、氯化铒、氯化铥、氯化镱、氯化镥中的一种或几种的混合，溶剂为水、乙醇、乙二醇中的一种或几种的混合；表面活性剂溶液为具有固定的亲水亲油基团的阴阳离子表面活性剂溶液、两性离子表面活性剂溶液或非离子表面活性剂溶液；氟源溶液为阴离子盐溶液、氟氢酸溶液、三氟乙酸溶液中的一种或几种的混合；阴离子盐溶液中溶质为氟化铵、氟化氢铵、氟化钠、氟化锂、氟化铵与氟化氢铵的混合、氟化铵与氟化钠的混合、氟化铵与氟化锂的混合、氟化氢铵与氟化钠的混合或氟化氢铵与氟化锂的混合，溶剂为水、乙醇、乙二醇中的一种或几种的混合。

石墨烯/稀土氟化物纳米复合材料的插层剥离合成方法按以下步骤实现：一、按照摩尔比为1∶(0.01～10)∶(0.1～10)∶(0.1～5)取稀土盐溶液、膨胀石墨、表面活性剂溶液和氟源溶液；二、通过减压法将稀土盐溶液和膨胀石墨混合，然后在温度为40～90℃、搅拌速度为100～350r/min的条件下，加入表面活性剂溶液和氟源溶液并继续搅拌20min～24h，再进行热处理，获得物质A；三、物质A用蒸馏水洗涤至流出的溶液pH值为7，然后在温度为60～80℃的条件下真空干燥3～24h，再在温度为200～900℃、升温速度为1～20℃/min及惰性气体保护的条件下焙烧5min～8h，即完成石墨烯/稀土氟化物纳米复合材料的插层剥离合成；

其中步骤一中稀土溶液的浓度为0.05～2mol/L；表面活性剂溶液的浓度为0.05～2mol/L；氟源溶液的浓度为0.05～2mol/L；