[发明专利]一种石墨烯负载WO3纳米线复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料及其制备技术领域，涉及一种石墨烯负载WO₃纳米线复合材料及其制备方法。

技术背景

纳米复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于化学、光学和电学等领域。近年来，纳米复合材料越来越得到重视。

氧化钨作为一种n型半导体，是典型的过渡金属氧化物。氧化钨除了作为催化、电致变色、电极材料和太阳能吸收材料外，还具有气敏、热敏和压敏等半导体材料的性质。氧化钨可以应用在气敏传感、光催化、光电导以及超级电容器等领域。与传统的钨基材料相比，氧化钨纳米线具有更大的比表面积、更大的表面活性和更强的吸附能力，在功能材料应用领域具有更广泛的前景。

石墨烯(graphene)是单层碳原子组成的二维纳米结构，具有优异的电导、热导和机械性能，以及大的比表面积和吸附性能。利用层状石墨烯作为主体材料，在内层及其表面可以得到尺寸均一的纳米颗粒或者纳米线作为基本结构单元。目前，人们成功利用石墨烯的二维层状结构合成了石墨烯负载金属氧化物纳米复合材料(The Journal of Physical Chemistry Letters 2009，4，217-224；Journal of the American Chemical society，2011，133，10878-10884)。

通过化学还原石墨氧化物制备石墨烯是目前可以规模化制备石墨烯的一种方法(Nature Nanotechnology 2009，4，217-224)。但是目前使用的有毒、非环境友好的强还原剂是化学还原制备石墨烯的一个主要问题。利用光催化还原石墨氧化物制备石墨烯的文献已经有了报道。但光催化还原法制备石墨烯负载氧化钨纳米线复合材料未见报道。

我们综合石墨烯独特的二维层状结构，优异的电化学性能等优点和氧化钨纳米线在各功能领域广泛的应用特点，将氧化钨纳米线作为客体材料组装到石墨烯主体材料中，控制合成条件，制备出一种独特的一维与二维纳米复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供的一种石墨烯负载WO₃纳米线复合材料，其特征是一维与二维纳米复合材料，WO₃纳米线直径为10～30纳米，长度为50～600纳米，贯穿或分布在层状石墨烯主体材料的内层或表面。

本发明的一种石墨烯负载WO₃纳米线复合材料的制备方法包括以下步骤：

(1)将钨酸钠溶解于蒸馏水中，加入酸度调节剂，调节钨酸钠溶液的浓度为0.1～1.0，pH为1.0～2.0；

(2)将步骤(1))制得的钨酸钠溶液转移至水热反应釜中，，在120～200℃下水热反应10～24小时；

(3)将步骤(2)制得的氧化钨纳米材料倒入真空抽滤装置中抽滤，用去离子水洗涤，真空干燥，在空气气氛下于300～500℃之间烧结2～4小时后得到WO₃纳米线。

(4)将石墨氧化物超声分散在还原性醇剂中，调节石墨氧化物的浓度为0.5～10mg/mL，超声分散1～3小时；

(5)将步骤(3)制得的WO₃纳米线与步骤(4)制得的石墨氧化物分散液混合，混合后WO₃纳米线与石墨氧化物的质量比为1∶0.01～0.5，再转移至光催化反应器中，在模拟太阳光下光催化还原反应0.5～3小时；

(6)将步骤(5)的产物倒入真空抽滤装置中抽滤，用去离子水洗涤，真空干燥后获得石墨烯负载WO₃纳米线复合材料。

具体的，浓度调节后钨酸钠溶液的浓度可以为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1.0mol/L；

酸度调节后钨酸钠溶液的pH值可以为1.0、1.2.、1.4、1.6、1.8或2.0；

水热反应温度可以为120、130、140、150、160、170、180、190或200℃；水热反应时间可以为10、12、14、16、18、20、22或24小时；

焙烧温度可以为300、400或500℃；

焙烧时间可以为1、2、3或4小时；

氧化石墨浓度可以为0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10mg/mL；

超声时间可以为1、1.5、2、2.5或3小时；

WO₃纳米线与石墨氧化物的质量比可以为1∶0.01、1∶0.05、1∶0.1、1∶0.2、1∶0.3、1∶0.4或1∶0.5；