[发明专利]一种石墨烯/金属氧化物纳米复合材料粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯/金属氧化物纳米复合材料的制备方法。

背景技术

金属氧化物是金属元素和氧元素结合形成的化合物。金属氧化物的种类繁多，除了Au、Pt等少数活泼性特别弱的金属以外，其他金属都有相应的金属氧化物。变价金属一般有多种氧化物，例如，铁元素具有氧化亚铁(FeO)、氧化铁和四氧化三铁(Fe₃O₄)三种氧化物。金属氧化物在催化领域中的地位很重要，它作为主催化剂、助催化剂和载体被广泛使用。就主催化剂而言，金属氧化物催化剂可分为过渡金属氧化物催化剂和主族金属氧化物催化剂，后者主要为固体酸碱催化剂(见酸碱催化作用)。金属氧化物颗粒的粒径是影响其催化效果的重要影响因素之一，粒径越小，表面积越大，催化效果越优异。然而，高的表面能又导致了氧化物颗粒的自团聚，因此，目前很难得到小粒径的金属氧化物颗粒。

石墨烯是近年来发现的一种二维碳材料。它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬，具有比碳纳米管更大的比表面积。石墨烯是由碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是目前最理想的二维纳米材料。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp²杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。石墨烯的合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC的方法；化学方法是化学还原法与化学解理法。目前，化学还原法是大量的、低廉的制备石墨烯的唯一方法。正是由于其高的比表面积、超高的稳定性、超强的强度等诸多优点，使其成为理想的金属氧化物载体。但是化学还原法需要肼进行还原，而肼具有剧毒，不利于石墨烯的大批量制备。此外，石墨烯粉体制备时需要进行提纯、干燥等工序，不到严重降低其产率，操作也非常复杂，能耗较高。

发明内容

本发明要解决现有石墨烯的制备过程中有毒、不能大规模生产以及现有技术很难得到小粒径的金属氧化物颗粒的问题，而提供一种石墨烯/金属氧化物纳米复合材料粉体的制备方法。

一种石墨烯/金属氧化物纳米复合材料粉体的制备方法按以下步骤进行：

一、石墨氧化：

将石墨加入强氧化酸和硝酸盐的混合物中，冷却至-5℃～0℃，在搅拌下加入含钾强氧化剂，然后升温至0℃～60℃，并继续搅拌24h～48h，得混合液，将混合液倒入10℃～50℃的温水浴中，继续反应40min～60min，然后加入热水，使体系沸腾并保持20min～40min，再添加双氧水，搅拌至完全溶解，然后水洗、过滤至滤饼中无SO₄^2-，干燥，即得氧化石墨，其中石墨与强氧化酸的质量比为1∶(0.025～5)；石墨与硝酸盐的质量比为1∶(0.2～8)；石墨与含钾强氧化剂的质量比为1∶(0.1～4)；石墨与双氧水的质量比为1∶(0.125～4)；其中，所述的强氧化酸为浓硫酸或高氯酸，所述的含钾强氧化剂为高锰酸钾或高氯酸钾，所述的硝酸盐为硝酸钠、硝酸钾、硝酸镁、硝酸钙或硝酸铝；

二、氧化石墨母液剥离：

将步骤一得到的氧化石墨溶于溶剂中，并在超声波频率为100W～2000W的条件下超声震荡0.5h～12h，得到氧化石墨烯溶液；其中所述溶剂为水、乙醇、丙酮、乙二醇、四氢呋喃或N，N-二甲基甲酰胺；

三、氧化石墨烯母液的提纯：

将步骤二得到的氧化石墨烯溶液在离心机转数为3000rpm～10000rpm的条件下离心，将离心所得液体的上层溶液收集，冷冻干燥，即得氧化石墨烯粉体；

四、石墨烯/金属氧化物纳米复合材料粉体的制备：