[发明专利]一种石墨烯/Zn纳米颗粒复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料领域，尤其是石墨烯与单质纳米颗粒的复合材料领域。

背景技术

燃料电池作为新型的能源转换装置， 电极主要采用碳基材料负载的金属催化剂， 在工作过程中会出现阳极催化剂的ＣＯ中毒， 降低燃料电池的能源转换效率。相比传统的碳基材料，石墨烯作为一种典型的二维材料，石墨烯具有极高的比表面积，优良的机械性、化学稳定性、优异的导电性和热传导性等，在锂离子电池、超级电容器、催化、传感、光电等领域应用广泛。石墨烯负载催化剂的复合材料在催化反应中具有很高活性，特别是，石墨烯与单质材料的复合材料在催化领域表现出很大的应用潜力。

石墨烯是二维蜂窝状结构的碳材料，它不仅具有高比表面积，而且有缺陷和含氧官能团，为负载纳米粒子提供据点，RGO作为载体，不仅可以分散金属纳米粒子，防止其团聚，而且由于RGO 本身的导电性，还能加速金属粒子与石墨烯之间的电子传输，起到很好的协同催化效果。人们报道的石墨烯与单质材料的复合材料中，单质材料基本都为Au、Ag、Pt等贵金属。由于贵金属的价格昂贵和储量有限等不利因素限制其广泛应用， 需要寻找一些低成本、绿色和高效的金属原子来替代贵金属。

同时，传统的石墨烯与金属纳米粒子的复合方法通常采用在RGO上自组装纳米粒子，该法制备工艺繁琐，且无法去除纳米粒子表面的包覆剂。近年来发展了添加还原剂进行液相还原的复合方法，由于液相还原速度不易控制，存在纳米粒子形貌大小不一、分布不均匀等缺点。以上制备方法的不足直接影响该复合催化剂的催化活性。因此，发展新的方法，充分发挥金属颗粒与石墨烯复合物的催化性能，成为当务之急。

本发明提供一种石墨烯/Zn纳米颗粒的复合材料，这是一种新的复合材料，本发明还提供了一种简单易行的全新的制备方法。

发明内容

针对现有技术中石墨烯与单质金属纳米颗粒复合的问题，本发明旨在发明一种新的石墨烯/Zn纳米颗粒的复合材料及其制备方法。

本发明提供了一种石墨烯/Zn纳米颗粒复合材料及其制备方法，包括如下步骤：

1）双温区管式电阻炉，通入Ar-H2-CH4为反应气体，气体压强为100Pa，其中Ar:H2:CH4分压比为20:50:30，称取2g醋酸锌，置于水平管式炉的高温炉区，且位于反应气体的上气流方向，该炉区温度为975-1025℃；以二维层状石墨烯为基底，置于水平管式炉的低温炉区，且位于反应气体的下气流方向，该炉区温度为500℃；反应时间为15 min；

2）反应结束后，关掉加热装置，在Ar-H2-CH4的气体中自然冷却到室温，得到所需的产物石墨烯/Zn纳米颗粒复合材料。

本发明还提供了根据上述制备方法制得的一种石墨烯/Zn纳米颗粒复合材料，其中Zn纳米颗粒的尺寸为3-7 nm，附着在二维层状石墨烯上，分布均匀。

本发明的有益成果在于：

1）本发明制备的石墨烯/Zn纳米颗粒复合材料，Zn形态、结构、尺寸均匀，且均匀地分布在石墨烯层之上，复合材料结构形态均一。

2）本发明的石墨烯/Zn纳米颗粒复合材料及其制备方法，采用气相反应的方式，仅使用双温度管式电阻炉，设备简单，操作方便，易于推广使用，实现规模化生产。

3）本发明制备的石墨烯/Zn纳米颗粒复合材料，成本低，可望在催化、锂离子电池、超级电容器、光电子等领域获得应用。

附图说明

图1为实施例1得到的石墨烯/Zn纳米颗粒复合材料的扫描电子显微镜（SEM）图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

1）双温区管式电阻炉，通入Ar-H2-CH4为反应气体，气体压强为100Pa，其中Ar:H2:CH4分压比为20:50:30，称取2g醋酸锌，置于水平管式炉的高温炉区，且位于反应气体的上气流方向，该炉区温度为1000℃；以二维层状石墨烯为基底，置于水平管式炉的低温炉区，且位于反应气体的下气流方向，该炉区温度为500℃；反应时间为15 min；

2）反应结束后，关掉加热装置，在Ar-H2-CH4的气体中自然冷却到室温，得到所需的产物石墨烯/Zn纳米颗粒复合材料。

实施例2