[发明专利]一种三维多孔薄膜催化剂的制备方法

说明书

本发明提供了一种三维多孔薄膜催化剂的制备方法。首先将氧化石墨烯、碳球和金属氧化物纳米颗粒按比例超声分散混合均匀，通过抽滤制备氧化石墨烯/碳球/金属氢氧化物复合薄膜，高温退火得到石墨烯/碳球/金属氧化物复合薄膜，再将石墨烯/碳球/金属氧化物复合薄膜放入氨硼烷水溶液中发泡，最终得到具有三维多孔结构的石墨烯/碳球/金属氧化物复合薄膜。本发明制备的薄膜块体催化剂可以应用于污水处理、液相催化等领域，该薄膜催化剂可以有效避免催化剂残留在溶液中造成二次污染，且该复合薄膜可以重复使用，降低催化剂的使用成本。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种三维多孔薄膜催化剂的制备方法，更具体是涉及石墨烯/金属氧化物复合薄膜催化剂的制备方法。

背景技术

金属氧化物(NiO、Co₃O₄、Fe₃O₄)纳米颗粒具有优异的催化活性，在水污染处理方面有着广泛的应用前景，但是传统的金属氧化物纳米颗粒在液相体系中难以分散，容易发生团聚，显著影响其催化效果；石墨烯具有比表面积大、化学稳定性好等优点，这些优异的性质使其可以应用于吸附、传感等领域。石墨烯/金属氧化物纳米颗粒复合物的制备可以综合石墨烯和金属氧化物纳米颗粒两种材料的优点，同时石墨烯作为载体可以有效解决金属氧化物纳米颗粒的难以分散等问题。

在本发明之前，相关的研究工作主要是利用水热反应或微波还原等方法制备石墨烯/金属氧化物粉体催化剂。例如，Cheng等人采用一步法在水热反应釜中合成了石墨烯/Ag纳米颗粒粉体复合物。Gannavarapu等人采用微波还原的方法，分别制备了石墨烯/Pt、石墨烯/Pd、石墨烯/Ru等粉体复合物。但是石墨烯/金属氧化物粉体催化剂容易残留在溶液中，造成二次污染，且粉体催化剂难以回收并再次利用，使用成本高昂，因此制备低污染、可重复利用的薄膜催化剂具有许多现实意义。

发明内容

本发明的目的是减少现有技术存在的问题和不足，提供了一种可重复利用的三维多孔薄膜催化剂的制备方法。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种三维多孔薄膜催化剂的制备方法，首先将氧化石墨烯、碳球和金属氧化物纳米颗粒按比例超声分散混合均匀，通过抽滤制备氧化石墨烯/碳球/金属氢氧化物复合薄膜，高温退火得到石墨烯/碳球/金属氧化物复合薄膜，再将石墨烯/碳球/金属氧化物复合薄膜放入氨硼烷水溶液中发泡，其中碳球为氨硼烷水溶液渗入到石墨烯层间提供了通道，有利于氨硼烷与石墨烯片层间的金属氧化物纳米颗粒接触并产生氢气将复合薄膜撑开，最终得到具有三维多孔结构的石墨烯/碳球/金属氧化物复合薄膜。具体包括以下步骤：

步骤一、将氧化石墨烯、碳球和纳米颗粒的金属氢氧化物按质量比(5:1:2)超声分散混合均匀，抽滤得到氧化石墨烯/碳球/金属氢氧化物复合薄膜；

步骤二、将氧化石墨烯/碳球/金属氢氧化物复合薄膜放入马弗炉退火，得到通过石墨烯/碳球/金属氧化物复合薄膜；

步骤三、将石墨烯/碳球/金属氧化物复合薄膜放入氨硼烷水溶液中发泡，利用氨硼烷水解所产生的氢气将复合薄膜撑开，得到具有三维多孔结构的石墨烯/碳球/金属氧化物复合薄膜。

进一步优选的，步骤一中所述氧化石墨烯的平均粒径为1-5μm，碳球的平均粒径为50-100nm，金属氢氧化物为氢氧化镍、氢氧化钴或氢氧化铁，所述的金属氧化物为氧化镍、四氧化三钴或四氧化三铁；

进一步优选的，步骤二中所述退火的温度为250-350℃，退火的时间为15-60分钟；

进一步优选的，步骤三中所述发泡的时间为2-12小时，氨硼烷水溶液的浓度为0.5-3摩尔每升。