[发明专利]一种石墨烯包覆纳米材料复合物的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯复合物的制备方法。

背景技术

21世纪，环境和能源问题是人类面临的最大挑战。半导体光催化技术为我们提供了一种有效治理环境污染和高效利用太阳能的有效途径。然而，在光催化剂中经常会出现快速的光生载流子复合现象，从而导致较低的光催化效率。为了克服这个缺点，研究者利用构建复合材料来优化单一材料的催化性质，提高催化活性。石墨烯（GE）为一个二维sp²杂化的碳结构，是一个零带隙半导体。它拥有一些独特的性质，如超高的电子迁移率（200000cm²V^-1s^-1），大的比表面积（2630m²/g）和高的透光率（99.7%）。由于这些独一无二的性质，石墨烯被认为是用于修饰和裁切光催化剂的优良材料。为此，科研工作者构建了大量的基于石墨烯的纳米复合材料，来改善单一材料的光催化性能。复合材料主要的形式为不同的金属或是半导体材料生长在石墨烯表面。纳米材料和石墨烯的协同效应能够有效的抑制光生载流子的复合，扩展材料对光的吸收范围，增加材料表面的活性位点并且能够改善催化剂的化学稳定性。尽管基于石墨烯的复合材料具有以上的优点，但是在实际应用中仍然存在一些问题。由于纳米粒子负载在石墨烯的表面导致两者接触面积较小并且可能在光催化过程中引起表面失活，这些都将降低复合材料的催化效果。最为有前景的方式去解决上述问题就是把石墨烯包覆在纳米材料的表面。一方面：增大两种材料的接触面积，另一方面：石墨烯作为保护层，降低纳米材料表面中毒的几率。

当今研究者主要是利用石墨烯与纳米材料的静电吸引作用进行包覆。Feng et al.研究组制备了石墨烯包覆的Co₃O₄复合材料。他们利用氨丙基三甲氧基硅烷（APS）对Co₃O₄表面进行修饰，使其带有正电荷。石墨烯表面带有负电荷，他们利用二者正负电荷吸引的原理，使石墨烯包覆在Co₃O₄的表面，制备出GE@Co₃O₄复合结构。Shao et al等人利用同样的原理制备了ZnO NPs-GO复合物。该研究组利用多环芳烃对ZnO的表面进行正电荷修饰。上述方法虽然实现了石墨烯在纳米材料表面的包覆，但是材料表面额外的功能化分子，例如APS，会破坏纳米材料原本具有的表面性质，并且成本也较高。为此，开发非功能化的普适方法去构建石墨烯包覆的纳米材料复合物是非常重要的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法制备出的石墨烯包覆纳米材料复合物表面额外的功能化分子会破坏纳米材料原本具有的表面性质及成本较高的问题，提供一种石墨烯包覆纳米材料复合物的制备方法。

本发明石墨烯包覆纳米材料复合物的制备方法，通过以下步骤实现的：

一、将纳米材料0.05～0.1g溶于100～150mL去离子水中，超声20～40min，得到溶液A；

二、将氧化石墨烯0.005～0.01g溶于50～60mL去离子水中，超声分散5～10min，得到溶液B；

三、将步骤二中得到的溶液B加入到步骤一得到的溶液A中，超声1～2h，得到混合溶液，然后将混合溶液置于液氮中冷冻30～90s后，再置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥；

四、将步骤三干燥后的样品置于马弗炉中，于500～600℃、惰性气体条件下煅烧2～3h，即得到石墨烯包覆纳米材料复合物。

发明机理

本发明提供一种非功能化、环境友好并且普适的制备方法构造石墨烯包覆的纳米材料复合物。

本发明的制备方法主要是利用冷冻干燥的方法实现石墨烯包覆在纳米材料的表面，合成机理示意图如图5所示。

首先将纳米材料与氧化石墨烯超声混合均匀，然后投入液氮中进行冷冻，最后进行冷冻干燥，主要是利用气压差来实现石墨烯包覆在半导体材料的表面。在冷冻干燥的过程中，在冰面与上方的空气处存在一个界面（命名为固-气界面），由于不断的抽真空，冰面上方的空气稀薄，气压较低，然而冰是在液氮中瞬间冷冻的，存在大量的空气，气压较高。于是在固-气界面处就产生了一个气压差，随着水分子的不断蒸发，石墨烯和纳米材料来到这个界面，由于石墨烯具有易形变的特性，在压力差的作用下，石墨烯包覆在了纳米粒子的表面。

本发明还提供了石墨烯包覆纳米材料复合物的制备方法，通过以下步骤实现的：