[发明专利]水溶性石墨烯-贵金属纳米复合物及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及导电复合材料领域，尤其涉及一种水溶性石墨烯-贵金属纳米复合物及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，也是目前世界上最薄的单原子厚度的材料。由于石墨烯拥有独特的纳米结构,并显现出了超强的机械性能和优异的电学性能，因此在微电子、生物医药、信息传输和纳米复合材料等众多领域展现出了极高的应用价值。然而在石墨烯的分散过程中, 由于单一的完整六元环结构,使得石墨烯各片层间存在很强的分子间作用力,很容易堆叠在一起,并且石墨烯表面呈现稳定惰性,很难溶解于溶剂中,更难与其他无机或有机材料均匀的复合。石墨烯的各种优异性能只有在各片层保持分散状态时才能显现出来,因而改善石墨烯与各种溶剂和材料的相容性成为了扩展石墨烯应用领域的重中之重。

目前石墨烯的制备多是对氧化石墨进行化学还原，其中还原剂主要有水合肼、二甲肼、对苯二酚。石墨烯如果在还原之前不经过化学处理，在还原过程中会很快地聚集在一起，重新生成块状石墨，很难得到所想要的片层石墨烯。由于氧化石墨烯片层结构周边含有羰基、羧基，中间含有羟基和环氧基等高活性的含氧官能团，可以利用这些官能团对具有卓越性能的石墨烯进行接枝、包覆等改性处理。用于表面改性的活性剂主要有阳离子表面活性剂、有机异氰酸酯、长链脂肪族胺和烷基胺等。功能化后的石墨烯具有很好的溶液稳定性，适用于制备各种高性能的复合材料。

利用石墨烯优良的特性与其它材料复合可赋予材料优异的性质。如利用石墨烯较强的机械性能，将其添加到高分子中，可以提高高分子材料的机械性能和导电性能；以石墨烯为载体负载纳米粒子，可以提高这些粒子在催化、传感器、超级电容器等领域中的应用。金属纳米粒子以其特殊的稳定性、小尺寸效应、量子效应、表面效应及生物亲和性等，使它成为在光学、电子、催化和生物医药等方面研究和应用的热点。金属纳米粒子的存在可使石墨烯片层间距增加到几个纳米，从而大大减小石墨烯片层之间的相互作用，使单层石墨烯的独特性质得以保留。因此将金属离子分散到石墨烯纳米片表面制成石墨烯基金属纳米复合材料，不但可以同时保持石墨烯和金属纳米粒子的固有特性，而且能够产生新颖的协同效应。例如将其应用于生物传感电极，石墨烯可增大电极的有效比表面积并可用作金属纳米颗粒的支撑物。纳米尺寸的功能颗粒能够在单位面积上固定大量的生物分子，并形成高效的生物传感器或生物质催化剂。此外，它们还具有最佳的传感器性能，而且成本最低。铂、金或钯等贵金属纳米颗粒能创造相对更大的电活性表面积，从而有效地催化了氧化还原。由于现有技术方法制备的石墨烯基金属纳米复合材料在溶剂中的分散性不佳，而对石墨烯进行还原和改性时采用的试剂往往具有较高的毒性，且操作条件苛刻不易控制，从而阻碍了它的进一步应用。因此制备一种绿色环保、操作简单、可稳定分散于水溶液中的石墨烯-金属复合材料对促进其应用与发展具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种贵金属纳米颗粒的负载率高、水溶性好且生物相容性好、操作简单且绿色环保的水溶性石墨烯-贵金属纳米复合物及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种水溶性石墨烯-贵金属纳米复合物，所述纳米复合物包括石墨烯片层，所述石墨烯片层上通过L-半胱氨酸共价结合有贵金属纳米颗粒。

上述的纳米复合物中，所述贵金属为铂、金或钯，所述贵金属纳米颗粒直径为5 nm～20 nm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述水溶性石墨烯-贵金属纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：

（1）材料准备：准备氧化石墨纳米片和L-半胱氨酸盐酸盐，并配制贵金属离子溶液；

（2）结合L-半胱氨酸：将氧化石墨纳米片超声分散于超纯水中，加入L-半胱氨酸盐酸盐并混合均匀；调节溶液的pH值至11～13，加入还原剂并充分反应，反应液经离心分离后，将分离物洗涤并定容，制得L-半胱氨酸共价修饰的石墨烯溶液；

（3）负载贵金属纳米颗粒：向所述L-半胱氨酸共价修饰的石墨烯溶液中加入贵金属离子溶液，调节溶液的pH值至11～13，加入还原剂并充分反应，反应液经离心分离后，得到所述水溶性石墨烯-贵金属纳米复合物；

上述步骤中，所述氧化石墨纳米片、L-半胱氨酸盐酸盐和贵金属离子的质量比为（1～4）∶（8～35）∶（2～10）。