[发明专利]金纳米粒子/石墨烯三维光热转换材料及其用途

说明书

本发明将金纳米粒子与石墨烯利用化学组装法制备成金纳米粒子/石墨烯纳米复合材料，并利用定向冷冻干燥法将其制备成金纳米粒子/石墨烯三维光‑热(蒸汽)转换材料。本发明材料可以高效的将光能转换为热能，能够快速的将水加热成水蒸气，最终达到净水目的，从而实现海水淡化、分馏、灭菌、污水处理等多项功能。

技术领域

本发明属于化学技术领域，具体涉及新材料及其制备方法,尤其涉及金纳米粒子/石墨烯三维光热材料的制备及应用。

背景技术

金纳米粒子是应用较为广泛的光热材料之一，其在可见光波段展现出很强的光谱吸收，当其与入射光波相互作用时，将发生表面等离子体共振，整个纳米粒子的电子气团在入射光电场作用下会产生共振，进而产生大量的热量。但金纳米粒子主要是在液相环境中充当“微观热源”，而无法实现大量的光能转换与存储，因而难以对光能进行有效利用。为了充分发挥金纳米粒子的光热效应，提高对自然界中无限光能的利用率，需要寻求更好的应用途径。

发明内容

本发明提供了一种定向冷冻的方式制备金纳米粒子/石墨烯三维材料，这种制备方式使得该种三维材料的孔隙具有取向性，使得材料具有更高的光热转换效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种金纳米粒子/石墨烯三维材料，其由如下方法制备得到：

(1)化学还原法制备得到金纳米粒子，

(2)化学自组装法制备金纳米粒子/氧化石墨烯纳米复合材料,具体如下：

S-1.用改进的Hummers’法制备氧化石墨烯，

S-2.将带有巯基-SH的硅烷偶联剂接枝到前述制备的氧化石墨烯片层的表面，

S-3.再加入步骤(1)制备得到的金纳米粒子，使得金纳米粒子大量吸附在氧化石墨烯表面，得到金纳米粒子/氧化石墨烯纳米溶液，

(3)金纳米粒子/石墨烯三维光热转换材料

将步骤(2)得到的金纳米粒子/氧化石墨烯溶液置于模具中定向冷冻，随后通过冷冻干燥，最后经过加热还原即得到宏观金纳米粒子/氧化石墨烯三维光热转换材料。

本发明优选的一技术方案中，步骤(1)中，采用金的化合物作为原料，通过还原反应生成金纳米粒子，并控制金纳米粒子的生长，使其尺寸达到纳米级。

本发明优选的一技术方案中，步骤(1)中，利用柠檬酸钠法合成的晶种，并以此晶种为基础，巯基丁二酸MSA为还原剂，进一步制备粒径范围20-150nm的金纳米粒子。

本发明优选的一技术方案中，步骤S-2中，将氧化石墨烯与硅烷偶联剂KH590在一定温度下反应，将KH590中的巯基(-SH)接枝到氧化石墨烯表面。

本发明优选的一技术方案中，步骤S-2中，将氧化石墨烯溶于蒸馏水，再加入硅烷偶联剂KH590，在55℃-70℃下反应3小时，离心后再用蒸馏水清洗数次，制成氧化石墨烯溶液。

本发明优选的一技术方案中，定向冷冻步骤通过调节降温速率2℃/min-10℃/min、起始金纳米粒子/氧化石墨烯浓度0.5mg/ml-5mg/ml可以得到不同微观结构及孔隙率的复合材料。

本发明优选的一技术方案中，步骤(3)中，将冷冻干燥后的金纳米粒子/氧化石墨烯三维材料在氮气保护下，加热至300℃-700℃，2-3小时，进行还原反应。

本发明通过化学还原法制备金纳米球与金纳米粒子，化学还原法方法是目前应用最为广泛，也最为成熟的制备金纳米球的方法。该化学还原法方法是采用金的化合物作为原料，通过化学还原反应生成金纳米粒子，并控制金纳米粒子的生长，使其尺寸达到纳米级，通过在反应中加入不同的还原剂种类及比例就可以得到不同尺寸的金纳米粒子。