[发明专利]钴配位化合物分子插层多层石墨烯纳米材料的制备方法

说明书

本发明公开一种钴配位化合物分子插层多层石墨烯的制备方法，本方法是将氧化石墨置于去离子水中，超声剥离后获得氧化石墨烯悬浮液，将悬浮液在室温、避光条件下静置后使用；将钴的配位化合物和氧化石墨烯悬浮液混合在烧杯中恒温搅拌获得絮状沉淀混合物；然后将絮状复合物溶液转移到高压釜中；经过水热处理后获得钴配位化合物分子插层多层石墨烯；本发明方法工艺简单、对设备要求低、成本低、具有很好的工业应用前景。

技术领域

本发明涉及一种钴配位化合物分子插层多层石墨烯纳米材料的制备方法，属于纳米材料领域。

背景技术

分子插层纳米材料在超导、催化以及海水淡化等领域被广泛应用。例如，在电催化领域，层状纳米材料的分子插层是提高该材料催化活性的重要途径；这是因为高效的电催化剂材料要求能快速的促进反应物与电荷的快速交换以及产物能快速的脱离活性中心；通过分子插层层状纳米材料催化剂，不仅能够改变层状纳米材料的晶体结构还能改变其电子结构。此外，通过分子插层后，层状纳米材料的层间距变大，这有利于反应时反应物能有效的接近活性位并被活性中心吸附以及大的层间距将降低反应后产物堵塞孔道的几率。因此，层状纳米材料的分子插层是其电催化活性改性的有效途径之一。

作为碳纳米材料领域科技创新最前沿的石墨烯是迄今为止发现的最薄的二维材料，被认为是构建石墨、富勒烯和碳纳米管和石墨的基本结构单元。凭借其特殊的晶体结构性能使得其具有优良的导热性能，力学性能，较高的电子迁移率，较高的比表面积和量子霍尔效应等性质，而引起了科学界的广泛关注和研究。由于石墨烯独特的物理化学性质，其在光电功能材料、传感器、纳米复合材料、药物传输控制和释放等领域表现出巨大的潜在的应用前景(New Scientist, 2012, 214(2863):iv-v)。

多层石墨烯是一个单层石墨烯多层堆垛后仍具有单层石墨烯某些特性的纳米材料，与单层石墨烯相比其稳定性要更好，能稳定的平面径向尺寸更大，其大部分性质也与单层不同，此时层间作用接近石墨层间作用的极限。在层数增加到几十到数百层左右也就是约几十纳米到几百纳米厚度左右，其性质大部分与一般石墨接近，具体厚度与其直径呈现三维结构。由于层与层之间较强的相互作用，在多层石墨烯中进行分子插层一直都是具有挑战的纳米工程。

发明内容

本发明提供了一种独特的分子插层多层石墨烯的方法，即钴配位化合物分子插层多层石墨烯纳米材料的制备方法，该方法利用氧化石墨烯和钴配位化合物间的静电相互作用，将钴配位化合物分子包裹在多层氧化石墨烯之间；然后将氧化石墨烯的氧基团去除，留下化合物分子在多层石墨烯层间，获得钴配位化合物分子插层多层石墨烯纳米材料，具体步骤如下：

（1）将氧化石墨置于去离子水中，超声剥离3~5h制得浓度1~5mg/mL的氧化石墨烯悬浮液，将悬浮液在室温、避光条件下放置30~100天；

氧化石墨是使用Hummers法将石墨、导电碳黑、碳纳米管、纳米多孔碳中的一种氧化后获得的，其中碳纳米管为管径10～100nm的单壁或多壁的碳纳米管；

（2）按钴配位化合物分子溶液与氧化石墨烯悬浮液的体积比为1:1~1:20的比例，将钴配位化合物分子溶液与氧化石墨烯悬浮液混合，将絮状混合物置于20~50℃下搅拌6~24 h，其中钴配位化合物分子溶液中钴离子浓度为0.1~1.5mg/mL；

所述钴配位化合物分子为水溶性的二价钴配位化合物或三价钴配位化合物，钴配位化合物分子为常规市售产品或按常规方法制得的化合物；

所述含有二价钴离子的Co(NH₃)₄(OH)₂钴配位化合物分子溶液是将金属单质钴粉（纯度为99.95%）加入氨（NH₃）含量为25%~28%的氨水中，在室温下避光放置20~60天，待无色透明的液体变成紫色后制得。