[发明专利]一种氧化锌/还原氧化石墨烯气凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备氧化锌/还原氧化石墨烯气凝胶的方法，属于新型纳米材料和材料制备领域。工艺简单，成本低，实用性强，在光催化降解水中有机污染物等方面具有广阔的应用前景。

背景技术

纳米技术是21世纪极为重要的科研研究领域，基于纳米技术的器件等将会给各个领域带来革命性的变化，而用于组装纳米器件的基本纳米结构单元中，两种功能性强、结构独特的材料是不可或缺的，一种是氧化锌，另一种是当前炙手可热的石墨烯，即单个石墨烯原子层的二维晶体。两种材料都具有独特的光电性能，前者具有丰富的低维结构，后者具有优异的电学、力学和导热特性。

气凝胶是一种密度超低、能够大量保持水而又不会溶于水，并且可以溶胀的三维网状纳米固态多孔聚合物材料，具有良好的导电性和导热性。它于1931年被Kistler发现并提出。气凝胶的制备过程相对比较复杂，通常状况下它先是通过溶胶的凝胶过程来制成湿凝胶，之后经过一定的溶剂转换，将网络空隙中表面张力相对较大的溶解过滤出来，然后再经过一系列较为复杂的处理形成气凝胶。

基于气凝胶的种种优越性能，近年来针对其结构的研究也逐渐增多，尤其是将气凝胶结构应用于改善电池电极性能、利用其超大比表面积作为新型催化剂或催化剂载体处理当下日益严重的水体污染问题，此外，气凝胶结构在储能领域，有害气体吸附、航空航天等方面均有着卓越的表现，不难想象，将氧化锌、还原氧化石墨烯复合材料拓展成三维气凝胶结构，将会进一步提高其在原有应用领域，如光催化降解水中有机污染物等方面的表现。

2013年发表于ACSSustainableChemistry&Engineering的论“Self-AssembledThree-DimensionalGraphene-BasedAerogelwithEmbeddedMultifariousFunctionalNanoparticlesandItsExcellentPhotoelectrochemicalActivities”报道了一种采用水热法一步将TiO₂纳米颗粒嵌入石墨烯中形成了一种三维自组装气凝胶结构，并预测了这种结构在光照下催化水制取H₂中的潜在应用。2009在Appl.Phys.Lett上发表的一篇关于石墨烯和氧化锌复合的论文“VerticallyAlignedZnONanostructuresGrownOnGrapheneLayers”报道了利用MOCVD在石墨烯薄膜的表面沉积竖直的氧化锌纳米线阵列，研究氧化锌的形貌控制和光学特性。但目前这些报道中的氧化锌和石墨烯复合结构基本都是在一个石墨烯的平面上沉积氧化锌，很少实现在石墨烯上下表面的同时生长氧化锌，更没有出现石墨烯和氧化锌在三维空间的复合，如构成气凝胶结构。另外也有一些如专利CN103482615A《一种泡沫状石墨烯-ZnO复合材料的制备方法》中提及了石墨烯和氧化锌的复合，包括做成了三维结构，但是存在着合成过程中温度较高等问题，不利于大面积制备。

综上所述，目前石墨烯和氧化锌的复合还仅仅限于单个石墨烯表面，真正将氧化锌/还原氧化石墨烯在三维空间进行复合以制得气凝胶的报道很少，所以在这方面的探索将是很有意义的工作。

发明内容

技术问题：本发明涉及一种氧化锌/还原氧化石墨烯气凝胶及其制备方法，本发明基于目前氧化锌和石墨烯复合大多处于一个平面，采用溶剂热法实现石墨烯与氧化锌在三维空间上复合，较好的克服了之前的缺陷，工艺简单，成本低，实用性强，在光催化降解水中有机污染物等方面具有广阔的应用前景。

技术方案：一种制备氧化锌/还原氧化石墨烯气凝胶的方法，所述方法的具体步骤如下：

1)配制氧化石墨烯在乙二醇中的均匀分散液；

2)加入可溶性锌盐、还原剂、弱碱试剂至分散液中搅拌均匀；

3)将上述混合液转移至反应釜中，并在150℃-200℃下进行溶剂热合成反应充分后取出，用去离子水和无水乙醇清洗得到中间产物，所述的中间产物是由石墨烯和氧化锌纳米球构成的复合结构；

4)中间产物冷冻干燥得到氧化锌/还原氧化石墨烯气凝胶。

步骤1)中所述的氧化石墨烯在乙二醇中的均匀分散液是指将所制备的氧化石墨烯均匀分散在乙二醇中，超声形成稳定的悬浮溶液，配制的分散液浓度为0.5mg/ml～1mg/ml。

所述的可溶性锌盐包括乙酸锌，氯化锌或硝酸锌中任一种，所述弱碱试剂包括乙酸钠，尿素或氨水中任一种，所述还原剂为柠檬酸钠或水合肼。