[发明专利]聚丙烯腈纤维负载钴/石墨烯复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯基复合材料的制备领域，特别涉及一种聚丙烯腈纤维负载钴/石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子按sp²碳晶格紧密排列形成类似于蜂窝状结构的层状材料，近年来受到科学界的广泛关注。石墨烯的电子运动速度达到光速的1/300，也就是说远远超过了电子在一般导体中的运动速度，许多研究期待通过与石墨烯复合以达到提高材料电性能的目的。此外，石墨烯还具有很多优良的性能：良好的热传导性能、机械性能、化学稳定性，大的表面积-体积比，这使得它在纳米电子学、传感器、纳米复合材料、电池、超级电容器和氢存储等诸多科技领域有巨大的应用前景。

近年来研究者发现，石墨烯复合材料可以显著提高原材料的电导率、导热性、机械强度、催化性能等性能。Shi等在J Harzard Mater.229–230(2012)331–339上报道了通过简单的烧瓶反应将氧化钴负载到石墨烯表面，得到了可以除去水中氧化偶氮染料的氧化钴/石墨烯复合材料。该催化剂材料催化效率高，稳定性好，制备简单，为其在污水处理方面应用提供可靠依据。Liu等在Journal of Power Sources 195(2010)4628-4633中报道了通过电化学还原法制备Pt/可膨胀石墨烯纳米片，直径约为15nm的Pt颗粒均匀分散在石墨烯层中，提高了石墨烯纳米片的电催化性能，稳定性好。Gao等在Carbon 50(2012)4093–4101中报道了以尿素为燃料，碱式硝酸钛为氧化剂，通过一步燃烧法制备了石墨烯/氧化钛复合材料。其中石墨烯片上存在一定量的N原子，与没有N原子的石墨烯/氧化钛复合材料相比，此材料在光照下，光生电子和空穴更不易复合，从降解甲基橙实验也可以看出，其氧化还原能力有效增强，也为制备其他石墨烯基催化剂提供了一个新的思路。

关于石墨烯复合材料的研究大部分仅关注于颗粒状复合材料制备及性能研究。而石墨烯本身比表面积很大，容易团聚，在纳米复合材料制备中，团聚问题更为突出。本发明将石墨烯纳米复合材料负载到有机合成纤维--聚丙烯腈纤维材料表面，并研究其催化性能，其意义在于：（1）将石墨烯基纳米复合材料负载在纤维表面，可以有效改善复合材料在液体反应体系中的分散性，达到提高材料性能的目的；（2）纤维为一维材料，且具有柔韧性，容易应用于不同形状的反应器中；（3）纤维状催化剂更加易于回收，有效减少催化剂流失；（4）有机合成纤维长度、粗细、白度、光泽等性质可以在生产过程中加以调节，并分别具有耐光、耐磨、易洗易干、不霉烂等特点，使得复合材料应用范围更加广泛。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种聚丙烯腈纤维负载钴/石墨烯复合材料的制备方法，该制备方法简单，易于工业化生产；所制备的石墨烯包覆聚丙烯腈纤维复合材料（Co/graphene-PAN）中钴颗粒均匀的分布在聚丙烯腈纤维（PAN）表面，复合材料具有良好的催化性能，催化硼氢化钠溶液制备氢气速率较钴/石墨烯复合材料（约900mL_氢气·min^-1·g_催化剂^-1）提高了近三倍,具有广阔的应用前景。

本发明的一种聚丙烯腈纤维负载钴/石墨烯复合材料的制备方法，包括：

（1）钴/石墨烯复合材料Co/graphene及石墨烯包覆聚丙烯腈纤维复合材料graphene/PAN制备；

a.Co/graphene的制备

将氧化石墨分散于乙二醇溶液中，所得混合液超声分散60min后，加入硝酸钴、无水乙酸钠以及聚乙二醇400，搅拌2h，形成反应液，氧化石墨、乙二醇、硝酸钴、无水乙酸钠、聚乙二醇的配比为55mg：55ml：165mg：1800mg：0.3mL，反应液在200℃下反应12h，反应结束，离心收集产物，用去离子水、无水乙醇洗涤产物，然后将产物在80℃下干燥12h，得到钴/石墨烯复合材料。

b.graphene/PAN的制备