[发明专利]一种层层自组装GQDs/3D-G/PANI复合薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种层层自组装GQDs/3D‑G/PANI复合薄膜的制备方法，属于复合材料及电催化应用技术领域。本发明首先制备了三维网络状石墨烯（3D‑G）和石墨烯量子点（GQDs），后采用GQDs在3D‑G表面自组装制备GQDs/3D‑G复合体系。最后借助电正性聚苯胺（PANI）溶液与电负性GQDs/3D‑G复合分散溶液之间的强静电力及苯环结构间的π‑π相互作用作为驱动力，在羟基功能化的ITO表面上构建了层层自组装的GQDs/3D‑G/PANI复合薄膜，聚苯胺可以牢固地附着在三维网络状石墨烯层上，石墨烯量子点辅助三维石墨烯片和聚苯胺颗粒之间的紧密接触，显著降低了团聚，对H₂O₂表现出良好的电化学催化活性。

技术领域

本发明涉及一种层层自组装GQDs/3D-G/PANI复合薄膜的制备方法，对H₂O₂具有显著的电化学催化活性，属于复合材料及电催化应用技术领域。

背景技术

随着现代工业和科技的迅猛发展，人类发展面临的首要挑战就是资源短缺问题，全球范围内储存在地下的化石燃料被大量消耗，面临枯竭，并且化石燃料的滥用导致的气候、环境问题也日益显现，如温室效应，酸雨等问题造成的不利因素，已经开始影响全球气候。同时，随着全球经济的增长和人类生活水平的提高，人们对于能源的消耗和需求也日益扩大，这就对开发新型、绿色、可再生能源提出了新要求和新挑战。

聚苯胺(PANI)作为具有广泛用途的导电聚合物之一，已经用于与纳米碳材料复合来达到提高材料电化学或催化性能的目的。至于它们的合成，通常采用苯胺/纳米碳材料的原位化学或电化学聚合实现，基于这些方法，与碳纳米管(CNT)或还原氧化石墨烯(rGO)复合的聚苯胺显示出增强的比电容和高的循环稳定性。此外，原位化学氧化或电化学聚合法制备的rGO/PANI复合材料对H₂O₂具有显着的电化学催化活性，可以作为非酶生物传感器。即便如此，纳米碳材料/聚苯胺受到各个组分的聚集影响，性能仍然被认为是显著受限的，这是因为在原位化学聚合或电化学聚合过程中，苯胺不可控制的高速聚合可以在到达纳米碳材料表面之前引起显著的链缠结；另一方面，纳米碳材料和聚苯胺在水性体系中不良分散导致的聚集使得纳米碳材料/聚苯胺界面相互作用太弱，从而降低了复合材料的电化学性能。因此，在复合过程中保持纳米碳材料和聚苯胺分子的单分散状态是减少组分聚集的关键因素，可以进一步提高所得复合材料的电化学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种简便的、具有优异电催化活性的层层自组装GQDs/3D-G/PANI复合薄膜的制备方法，在石墨烯量子点原位自组装辅助下，进一步提高三维网络结构石墨烯(3D-G)的分散性，解决其在反应中易团聚的问题，并以此为基础实现与聚苯胺的层层自组装得到电化学催化材料。

一、层层自组装GQDs/3D-G/PANI复合薄膜的制备

本发明层层自组装GQDs/3D-G/PANI复合薄膜的制备方法，包括以下工艺步骤：

（1）3D-G的制备：将氧化石墨烯分散于水中，加入氨水调节溶液pH至12~13，再加入水合肼，转移到水热反应釜中，在180~185℃下反应11~12 h，过滤、洗涤、干燥，即可得到三维网络状石墨烯3D-G；

（2）GQDs的制备：将3D-G分散于浓硫酸中，在冰水浴下搅拌，然后加入KMnO₄，于 150~155℃下恒温冷凝反应24~25h，冷却至室温，再加入 H₂O₂ 得到亮黄色GQDs溶液，GQDs溶液蒸发，得到棕色GQDs固体，将GQDs固体溶解在超纯水中，过滤、透析、冷冻干燥后得到石墨烯量子点GQDs粉末；

（3）GQDs/3D-G复合分散液的制备：将3D-G和GQDs分散于HCl溶液（浓度为0.01~0.015mol/L）中，搅拌均匀，用氨水调节pH至5~6，超声处理20~30 min，得到GQDs/3D-G复合分散液；