[发明专利]一种磁性氧化石墨烯复合纳米材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁性氧化石墨烯复合纳米材料及制备方法。

背景技术

自2004年发现以来，石墨烯凭借其优异的光学、电学、力学和热学性质，在能源、催化和电子器件、环境化学和生物医学等领域受到广泛的关注。石墨烯是有碳原子构成的单原子层二维晶体。氧化石墨烯作为还原法制备石墨烯的重要前驱体，与石墨结构相似，具备大比表面积和特殊层状结构，只是在石墨烯片层结构中引入大量含氧基团，例如羧基、羟基、环氧和羰基等。含氧基团的存在提高了氧化石墨烯的稳定性和亲水性，也为制备功能氧化石墨烯材料提供反应位点。磁性氧化石墨烯由于结合了氧化石墨烯和磁性纳米颗粒的优点而成为一种新型功能材料。从文献报道来看，磁性氧化石墨烯复合纳米材料已经成功应用于染料和污染物吸附、药物运输和释放、蛋白质和DNA固载等研究。

近年来磁性氧化石墨烯复合纳米材料受到广泛关注，其制备主要是通过缩合试剂共价键合的方式(Journal of Chromatography A.2012,1254,8-13)。在共价键合过程中缩合试剂容易改变反应溶液pH，导致氧化石墨烯容易团聚，使氧化石墨烯物理和化学性质产生改变，影响磁性氧化石墨烯性能。因此发展新的磁性氧化石墨烯制备方法以保持氧化石墨烯单层结构具有重要意义。多巴胺在碱性溶液容易聚合成聚多巴胺，聚多巴胺含有大量羟基和氨基等亲水基团，而且具有大的π共轭体系，容易与氧化石墨烯产生氢键和π-π相互作用，聚多巴胺作为连接臂制备磁性氧化石墨烯复合纳米材料，在制备过程中氧化石墨烯容易保持原有化学和物理性质。因此在本发明中，基于多巴胺包裹的磁性纳米颗粒和氧化石墨烯，利用氢键和π-π相互作用发展磁性氧化石墨烯复合纳米材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁性氧化石墨烯复合纳米材料。本发明的另一个目的是提供所述磁性氧化石墨烯复合纳米材料的制备方法。

所述复合纳米材料是由氧化石墨烯、磁性纳米颗粒和聚多巴胺壳层构成，氧化石墨烯上连接有由聚多巴胺包裹的磁性纳米颗粒，聚多巴胺作为磁性纳米颗粒和氧化石墨烯之间的连接臂，使磁性纳米颗粒固载于氧化石墨烯表面。

所述磁性纳米颗粒为铁磁性物质或顺磁性物质中的一种或多种，所述铁磁性物质为铁、钴、镍，或包含铁、钴、镍元素中的一种或两种以上的合金，顺磁性物质为铁氧化物或锰，磁性纳米颗粒优选为四氧化三铁纳米颗粒。

所述聚多巴胺壳层即是指包裹在磁性纳米颗粒表面的聚多巴胺。

所述氧化石墨烯为多层或单层，所述由聚多巴胺包裹的磁性纳米颗粒连接于多层氧化石墨烯的每层之间或层上；或者单层氧化石墨烯的一侧或两侧。

所述磁性氧化石墨烯复合纳米材料为被剥离的无序结构；

所述磁性纳米颗粒粒径为10-1000nm，优选的磁性纳米颗粒粒径为100-400nm，聚多巴胺壳层包裹厚度为1-500nm，优选的聚多巴胺壳层包裹厚度为5-100nm。

本发明提供一种制备所述材料的方法：

首先根据溶剂热法备柠檬酸稳定的磁性纳米颗粒，然后根据碱性条件下多巴胺容易聚合的性质，在缓冲液中实现在磁性纳米颗粒表面包裹聚多巴胺层。最后利用聚多巴胺和氧化石墨烯之间氢键和π-π相互作用，使磁性纳米颗粒固载于氧化石墨烯表面上，制备磁性氧化石墨烯复合纳米材料。

通过下述方法制备，步骤1)为根据溶剂热法制备柠檬酸稳定的磁性纳米颗粒；步骤2)为在碱性缓冲溶液中将磁性纳米颗粒表面包裹聚多巴胺壳层；步骤3)为将聚多巴胺包裹的磁性纳米颗粒分散于去离子水中，将氧化石墨烯分散于去离子水中，随后将两种溶液混合，在室温下强烈振荡，使磁性纳米颗粒固载于氧化石墨烯表面上，制备磁性氧化石墨烯复合纳米材料。

具体技术方案为：

步骤1)柠檬酸稳定的磁性纳米颗粒的制备：在乙二醇中，加入六水和三氯化铁(FeCl₃.6H₂O)和柠檬酸钠，然后加入无水乙酸钠，超声后强烈搅拌，制备得到均匀的溶液，最后装入聚四氟乙烯反应釜中，压力为5-10MPa，在200-240℃下反应10-14h，产物用去离子水和无水乙醇交替清洗，真空干燥，制备得到所得磁性纳米颗粒。

步骤2)聚多巴胺包裹磁性纳米颗粒(Fe₃O₄/PDA)制备：将磁性纳米颗粒分散于Tris-HCl缓冲液中，pH控制在8.0-8.5之间，然后加入多巴胺，振荡均匀后，在25-37℃水浴中搅拌反应2-6h，反应结束后，产物用去离子水和无水乙醇交替清洗，真空干燥，制备得到聚多巴胺包裹的磁性纳米颗粒。