[发明专利]一种自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜及其制备方法

说明书

本发明属于复合材料技术领域，公开了一种自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜及其制备方法。所述制备方法为：将金属锌片浸没在氧化石墨烯溶液中，室温静置反应后取出，干燥，得到锌片上原位自组装还原的石墨烯薄膜，再将石墨烯薄膜从锌片上直接剥离得到自组装石墨烯薄膜；将所得自组装石墨烯薄膜加入到纳米棒阵列生长溶液中进行水热反应，原位定向生长纳米棒阵列，得到自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜。本发明的复合膜纳米棒阵列与石墨烯薄膜紧密结合，具有良好的力学性能及光催化性能。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜及其制备方法。

背景技术

半导体光催化是近30年发展起来的新兴研究领域。半导体光催化材料在光照射下，能够被光子所激活，实现电子或空穴分离，并在其表面上发生很强的氧化(或)还原作用，即反应体系在光催化下将吸收的光能直接转化为化学能，使许多通常情况下难以实现的反应在比较温和的条件下能够顺利进行。半导体的光催化特性已经被许多研究所证实，但从利用太阳光的效率来看，还存在以下主要缺陷：一是半导体的光吸收波长范围狭窄，主要在紫外区，利用太阳光的比例低；二是半导体载流子的复合率很高，因此量子效率较低。高导电性能的基底能增加光生电子和空穴的分离和传输，从而增强半导体的光催化性能。

石墨烯作为一种新型材料，是一类由碳原子之间以sp²杂化轨道从而组成的呈六角型蜂巢稳定晶格的平面单层片状结构。石墨烯晶格当中每一个碳原子，都通过sp²杂化形成的σ键与三个碳原子相互连接构成不断延伸，碳原子之间的C-C键带给石墨烯刚性很强的平面结构，π电子可以在平面结构当中自由的移动，所以石墨烯表现出非常良好的导电性能和力学性能。同时，石墨烯作为一种广泛使用的零带隙半导体材料，具有相当大的比表面积，能够提高对污染物的吸附；石墨烯优良的电子迁移率和载流子特性提高了光激发电荷的传输和分离。因此复合石墨烯能很好地改善一般半导体材料可见光利用率低和光生电子-空穴复合概率高等的不足。

基于石墨烯的复合材料在能源、传感领域的应用，通常需要将石墨烯组装为三维薄膜结构。石墨烯薄膜具有以下优点：(1)薄膜间的孔状结构促进溶液渗入；(2)三维孔状结构提供多重电子通道；(3)石墨烯薄膜表面的多重褶皱具有高的比表面积，提供了多重有效位置以便于与其它活性材料的复合。(4)石墨烯薄膜相对于粉体材料更有利于回收，能避免造成二次污染。目前制备石墨烯薄膜的方法主要有：旋涂法(Acs Nano,2010,4:5749)、真空抽滤法(Energy Environmental Science,2013,6:3693)和自组装法(AdvancedMaterials,2014,26(4):615)。旋涂而成的薄膜厚度与面积不受限制，但不易控制其均匀性。真空抽滤法成膜均匀、膜厚度精确，原材料利用率也比较髙，但膜面积受滤纸尺寸限制，在抽滤过程中会因为石墨烯的团聚而降低抽滤速度甚至停止，直接影响较厚薄膜的制备。而自组装方法的成膜面积可以任意调控，并且呈现较好的均匀性。在自组装石墨烯上原位生长半导体纳米棒阵列可以提高材料的表面积和导电性能，从而提高光催化效率。当前在自组装石墨烯薄膜上原位生长半导体纳米棒阵列技术还处于空白状态。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜的制备方法，包括如下制备步骤：

将金属锌片浸没在氧化石墨烯溶液中，室温静置反应后取出，干燥，得到锌片上原位自组装还原的石墨烯薄膜，再将石墨烯薄膜从锌片上直接剥离得到自组装石墨烯薄膜；将所得自组装石墨烯薄膜加入到纳米棒阵列生长溶液中进行水热反应，原位定向生长纳米棒阵列，得到自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜。