[发明专利]基于氧化石墨烯自催化的纳米复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于氧化石墨烯自催化的纳米复合材料的制备方法，以氧化石墨烯和金属盐为原材料一步法制备石墨烯纳米复合材料，属于纳米材料、功能材料化学技术领域。

背景技术

石墨烯是迄今为止，世界上最薄的材料-单原子厚度的材料。不仅具有优异的电学性能，质量轻，导热性好，比表面积大，杨氏模量和断裂强度也可与碳纳米管相媲美，而且还具有一些独特的性能，如量子霍尔效应、量子隧穿效应等。由于以上独特的纳米结构和优异的性能，石墨烯可应用于许多的先进材料与器件中，如薄膜材料、储能材料、液晶材料、机械谐振器等；石墨烯是单层石墨，原料易得，所以价格便宜，不像碳纳米管那样价格昂贵，因此石墨烯有望代替碳纳米管成为聚合物基碳纳米复合材料的优质填料。

目前制备基于石墨烯的纳米复合材料并不多，主要是因为石墨烯既不亲水也不亲油，反应活性不高。使得对它进行改性比较困难，从而导致与其它材料复合也比较困难。现在制备石墨烯纳米复合材料主要是先让氧化石墨烯与其它材料复合，再将其中的氧化石墨烯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。

Liang等将Hummers法制备得到的氧化石墨烯分散于水中进行超声处理，并在搅拌作用下加入水合肼，制成部分还原的氧化石墨。然后往部分还原的氧化石墨分散液中加入环氧树脂/硬化剂的丙酮溶液，并进行超声处理，在搅拌下反应数小时。反应后在60℃下干燥并制成合适的形状，然后在250℃通N₂的情况下退火2h，将未还原的氧化石墨彻底还原，从而增加其导电性。最后得到石墨烯/环氧树脂的复合材料，其电磁屏蔽效应小于等于21分贝，基本达到了商业应用要求(20分贝)。

Watcharomne等用溶胶一凝胶法制备了石墨烯/SiCh纳米复合材料。将氧化石墨/SiO₂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/SiO₂纳米复合材料。而且在400℃处理过的样品其导电率增大了，这是因为样品固结导致石墨烯的在基体中的密度增加，减少了石墨烯间的间距，增加了导电的路径，从而增加了导电率。氧化石墨/SiO₂纳米复合材料的透射率很好，经还原后，由于“石墨化”从而导致透射率减小。Chao等采用溶液混合法制备了Pt、Pd、Au与石墨烯的纳米复合材料。即将贵金属(Pt、Pd、Au)的前驱物盐溶液和乙二醇加入到超声后的氧化石墨水溶液中，在100℃下反应6h，最终得到了石墨烯/金属粒子纳米复合材料。他们发现乙二醇可作为氧化石墨的还原剂，而且乙二醇无毒，对人和环境都无害，从而克服了常用的氧化石墨还原剂水合肼的毒性。Li等也制备了石墨烯/Pt纳米复合材料，并且发现其对于甲醇氧化的催化效果比Pt/卡博特导电炭黑好。Williams等用光催化还原法得到了石墨烯/TiO₂纳米复合材料。将氧化石墨加入通过异丙氧基钛水解得到的TiO₂乙醇胶体中，并进行超声处理，从而得到氧化石墨/TiO₂纳米分散液；再在紫外光的照射下对氧化石墨进行还原，最终得到了石墨烯/TiO₂纳米复合材料。通过AFM可观测到复合材料中的石墨烯是单层或双层的。未经紫外光照射的氧化石墨/TiO₂的电阻为233千欧姆，经2h的紫外光照射后，得到的石墨烯/TiO₂纳米复合材料的电阻为30.5千欧姆，这接近于原来电阻的1/8。

综上所述，石墨烯复合材料由于独特的纳米结构和优异的性能，有望成为一类新的电子材料、薄膜材料、储能材料、液晶材料、催化材料等先进的特种功能材料。石墨烯纳米复合材料是石墨烯应用的重要领域，尽管石墨烯的纳米复合材料研究进展缓慢。随着研究的不断深入，石墨烯的纳米复合材料将会越来越多，其应用领域和应用前景将非常广阔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于氧化石墨烯自催化的纳米复合材料的制备方法，制得的石墨烯纳米复合材料均匀分散于水溶液中，具有独特的纳米结构和优异的物理性能，可应用于电子器件、催化、储能及生物检测等方面。

本发明提供的一种基于氧化石墨烯自催化的纳米复合材料的制备方法，具体为：

首先向氧化石墨烯溶液里缓慢的加入金属盐溶液，利用氧化石墨烯上的羧基和羟基等基团作为纳米粒子晶体的成核位点；

再通过自催化的方法在氧化石墨烯片上的成核位点上进行晶体生长，从而形成附着有一层金属纳米粒子的石墨烯片，超滤或透析，制备得到石墨烯纳米复合材料。