[发明专利]一种石墨烯-空心铜纳米球复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种石墨烯‑空心铜纳米球复合材料及其制备方法与应用。该石墨烯‑空心铜纳米球复合材料为一种在石墨烯表面均匀负载空心铜纳米球的复合材料，其中空心铜纳米球主要由铜与氧化亚铜纳米复合材料组成。该复合材料的制备方法包括以下步骤：1)将改良Hummers法制备得到的氧化石墨烯分散到第一份乙二醇中，形成溶液A；2)将铜盐溶于第二份乙二醇中，形成金属前驱体溶液B；3)将所述溶液A、所述金属前驱体溶液B混合，通过可控氧化加热法进行加热得到的产物经洗涤干燥得到所述石墨烯‑空心铜纳米球复合材料。上述复合材料可应用于催化对硝基苯酚还原加氢制备对氨基苯酚。相较于传统铜基催化剂，该材料具有更高的催化动力学常数。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯-空心铜纳米球复合材料及其制备方法与应用，具体涉及一种石墨烯-空心铜纳米球复合材料、制备方法及该复合材料在污染物对硝基苯酚加氢还原反应中的应用。

背景技术

水体污染严重威胁人类健康，其主要由化工生产过程中产生的废水、废料及生活污水排放不规范导致。对硝基苯酚作为石油化工生产排放的主要污染物之一，具有良好的生化稳定性，不易降解，对水体污染及人类健康的危害不容忽视，根据美国环境保护协会规定对硝基苯酚在排水时浓度小于10ng/L。综上所述对硝基苯酚的处理迫在眉睫。

对氨基苯酚是常见的精细有机化工中间体，主要用于医药、染料、橡胶防老剂等领域，在人类社会有着不可或缺的地位。因此开发一种新型材料用于污染物对硝基苯酚加氢还原为精细有机化工中间体对氨基苯酚有很大的发展空间。

相较于传统的块状材料，纳米材料由于比表面大，小尺寸效应，量子尺寸效应，量子隧道效应等特性使得其与污染物的接触面积大，处理效能更好，因此基于纳米技术设计的新型材料具有潜在优异的对污染物进行处理的效果。石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的新型二维纳米材料，具有特殊的π键结构。此外，石墨烯具有高导热系数、高可见光透过率及超高电子迁移率等特性，这些性质赋予其在光学、电学及力学等领域具有非常大的潜能。通过对原始石墨的氧化剥离，可获得碳原子以sp3形式杂化的含有丰富含氧官能团的氧化石墨烯。石墨烯及氧化石墨烯具有极高的理论比表面积，是典型的二维增强相，能够实现与金属、金属氧化物、非金属、生物大分子的缀合，构建新型复合纳米材料。

石墨烯纳米复合材料在原始材料的基础上显现出石墨烯独特的物理和化学性能。迄今为止，基于石墨烯的复合材料在光电器件、超级电容器、涂料覆盖层、生物传感器等多个领域都展现出巨大的应用潜能。

此外石墨烯的扩展轨道与过渡金属的d轨道之间的重叠可能导致强烈的金属—载体相互作用，从而可以调节金属纳米颗粒—石墨烯界面处的电子密度。另外，石墨烯通过吸附金属纳米颗粒活性位点附近的基底，实现其优势大表面积及高吸附容量协同促进反应机制。因此石墨烯负载金属纳米颗粒复合材料被广泛用作多种有机反应的非均相催化剂，包括还原，氧化和偶联以及其他过程。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够有效催化对硝基苯酚加氢还原为对氨基苯酚的材料。

为了实现上述目的，本发明提供了一种石墨烯-空心铜纳米球复合材料，其中，该复合材料为一种在石墨烯表面均匀负载空心铜纳米球的复合材料。所述空心铜纳米球包含单质铜。在上述石墨烯-空心铜纳米球复合材料中，优选地，所述空心铜纳米球的外径大于40nm且小于500nm，空心铜纳米球的球壳厚度为10-30nm。

在上述石墨烯-空心铜纳米球复合材料中，优选地，所述空心铜纳米球包含铜纳米粒子、氧化亚铜纳米粒子；更优选地，所述空心铜纳米球由铜纳米粒子、氧化亚铜纳米粒子及氧化石墨烯复合组成；进一步优选地，以空心铜纳米球总原子数为标准，所述空心铜纳米球包含40-60％的碳原子、20-35％的氧原子及20-40％的铜原子。在以具体实施方式中，以空心铜纳米球总质量为标准，所述空心铜纳米球由39％的铜纳米粒子、15％的氧化亚铜纳米粒子及46％的氧化石墨烯复合组成。