[发明专利]一种石墨烯/氮化钛纳米材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于无机复合材料技术领域，具体涉及一种导电性纳米复合材料石墨烯/氮化钛纳米材料及其应用。

 

背景技术

纳米技术是上世纪90年代兴起的一门崭新的高新技术，代表了当今科学技术领域研究的最前沿，其基本涵义是在纳米尺度（1–100 nm）范围内认识和改造自然，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性，通过直接操作和安排原子和分子，从而创造新的物质。

例如，石墨烯是碳材料家族的最近成员，起始于零维的富勒烯、一维的碳纳米管，并结束于三维的石墨。石墨烯填充了二维碳材料的空白。Stankovich 等人 [参见：Stankovich, S., Dikin, D. A., Piner, R. D., Kohlhaas, K. A., Kleinhammes, A., Jia, Y., Wu, Y., Nguyen, S. T., Ruoff, R. S., Carbon, 2007, 45, 1558.]利用Hummers法制备氧化石墨，在超声波处理下获得氧化石墨烯，然后以水合肼为还原剂反应24小时制备出了石墨烯。但是该还原方法所需要的时间较长，而且水合肼有一定毒性，现在人们也开始寻求新的绿色还原剂代替水合肼并缩短反应时间。

石墨烯具有各种无可比拟的优异性能，但由于石墨烯结构完整，化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其它介质（如溶剂等）的相互作用较弱，且各石墨烯纳米片之间存在较强的范德华力和静电力等，容易产生聚集，使其在水及常见的有机溶剂中难以分散，从而限制了石墨烯在诸多领域中的应用。因此，许多研究者尝试对石墨烯进行改性，通过对其进行化学改性，制备出性能优异的石墨烯纳米材料，该类材料最大程度上保留了石墨烯的特性，并通过功能化引入其它一些有意义的特性。如Shan 等[参见：Shan, C., Yang,H., Biosens. Bioelectron., 2010, 25, 1070-1074.]将纳米金与石墨烯结合，增加了石墨烯的生物相容性及导电性，便于进一步生物传感器的研究和应用。然而，由于在水中的分散性较差，有时需要加入其它物质来增加石墨烯复合材料的分散性，甚至改变溶剂，这些因素直接影响了其导电性能进而影响了其在电化学检测中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种导电率高，比表面积大，水中分散性好的新型石墨烯-氮化钛纳米复合材料，克服了现有技术中石墨烯分散性不强，进步拓展了石墨烯的应用，同时本发明还提供了一种绿色还原制备石墨烯的新方法，且研究了该纳米复合材料对氨基苯酚或/和对乙酰氨基酚的电催化性能及其检测方法。

本发明的技术方案如下：一种石墨烯/氮化钛复合纳米材料，氮化钛在复合材料中的质量分数为30-80%。

优选地，氮化钛在复合材料中的质量分数为50%。

该复合材料具有较好的分散性。

一种制备上述石墨烯/氮化钛复合纳米材料的方法，包括如下步骤：步骤一：氮化钛的制备，量取冰醋酸加入到去离子水中，醋酸溶液，滴入盐酸，控制pH值为2-3，量取钛酸四丁酯溶解到到无水乙醇中，控制钛酸四丁酯、乙醇、水的摩尔比为1:60:130，将此溶液逐滴加入到剧烈搅拌的醋酸溶液中，滴加完毕后，在室温下继续搅拌12小时，使钛酸四丁酯继续水解得到均匀的溶胶，然后将溶胶置于100 ℃下烘干，大约10 h，得黄色晶体，研磨，得到淡黄色粉末。在600 ℃下煅烧2 h，得到白色的二氧化钛粉体，将纳米二氧化钛粉体放入水平放置的氧化铝管式炉中，在升温前向炉内以150 mL/min的流速通高纯氨气，然后在此流速通氨气的情况下，以3 ℃/min的升温速度将炉温升到1000 ℃，保持此温度6小时，然后在通氨气条件下，将温度降到室温，得到深蓝色的氮化钛；

步骤二：步骤一制得的氮化钛）与氧化石墨烯以质量比为0.5:1-5:1超声混合，然后加入5.5 mmol/mL的葡萄糖320 μL，以锌片或铁片为催化剂在50-95℃时磁力搅拌30-120 min，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、在真空干燥箱中60℃烘干即得石墨烯/氮化钛复合材料；

优选地，在步骤二中采用锌片为催化剂，在75℃时磁力搅拌30 min，以锌片为催化剂在75℃时只要30 min即可反应完全，而铁片在相同条件不能完全还原，需要提高温度到95 ℃。

该制备方法与水合肼作为还原剂相比大大缩短了反应时间，也降低了反应温度，最重要的是葡萄糖作为绿色还原剂对环境友好，不会造成污染，增加了其工业大规模生产的应用前景。