[发明专利]一种三维层状、多孔结构金属纳米片/石墨烯复合物的水凝胶和气凝胶、制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种新型三维层状、多孔结构的金属纳米片/石墨烯复合物水凝胶和气凝胶、制备方法及其应用。采用优化溶剂热技术制备金属纳米片/石墨烯复合结构的水凝胶，和快速干燥制备三维层状、多孔结构的金属纳米片/石墨烯复合物气凝胶。该三维复合物气凝胶中含有丰富的缺陷氧和含氧官能团，具有多孔的层状结构，提供了大的比表面积及反应场所，可用于气体传感、电化学传感和生物传感领域，具有潜在应用价值。

技术领域

本发明涉及一种新型层状多孔结构的纳米复合材料设计制备及其应用领域，具体为一种三维层状、多孔结构的金属纳米片/石墨烯复合物水凝胶和气凝胶、制备方法与应用。

背景技术

气凝胶是分散相为1～100nm尺寸的纳米材料分散到气体分散介质构成具有固体特征的胶体。类似地，水凝胶是1～100nm尺寸的纳米材料分散到水介质所组成的固体特征的胶体。气凝胶和水凝胶都具有高孔隙率和高比表面积，为发展高性能的气敏、电化学和生物传感材料和传感元器件提供新思路。石墨烯和氧化石墨皆为二维材料，不仅具有较大表面积，而且还便于修饰大量含氧官能团，如羟基、羧基和环氧基等，若能将石墨烯、氧化石墨作为气凝胶和水凝胶分散相、或组成分散相的一部分，从而获得新型的水凝胶、气凝胶传感材料。然而，单纯的石墨烯或氧化石墨由于其对靶气体、靶向生物分子等吸附能力要么过小，要么不利于脱附。石墨烯的导电通道可以通过吸附在石墨烯表面上的气体分子作为供体或受体来调节，然而未经任何功能化的原始石墨烯几乎不溶于任何溶剂，难以将其分散开，其大的比表面积得不到有效暴露和利用(Ref:Nano Lett.,2009,9,1472–1475)。研究发现，在生物电化学检测中纯净的石墨烯表面无法与特定的靶分子或离子结合，高灵敏度检测主要来自于石墨烯片上的缺陷，利用含氧基团来充当质子的结合位点，提高检测灵敏度(Ref:Nano Lett.,2011,11,3597–3600)。为此，高端的传感材料由三维石墨烯与金属纳米片复合而成的水凝胶、气凝胶的设计制备，为解决上述关键难题提供可能，然而尚无报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维层状、多孔结构金属纳米片/石墨烯复合物的水凝胶和气凝胶、制备方法与应用。先通过溶剂热法制备金属纳米片/石墨烯复合水凝胶，然后通过快速干燥技术制备金属纳米片/石墨烯复合物气凝胶，最终获得层状多孔的三维结构。该三维复合物气凝胶中富含缺陷氧和含氧官能团，同时该复合物气凝胶具有超大多孔的层状结构，提供了大的比表面积及反应场所，最终获得增强的传感性能。

本发明为了实现上述目的，提供以下技术方案：

本发明提供了一种三维层状多孔结构的金属纳米片/石墨烯复合物水凝胶和气凝胶，包括三维石墨烯水凝胶、气凝胶，分散在所述三维石墨烯凝胶中的金属纳米片和有机溶剂；其中金属纳米片/石墨烯复合水凝胶的密度为0.5～2g/cm³，气凝胶的密度为10～30mg/cm³。

优选地，所述金属纳米片包括金属钯(Pd)、金属铂(Pt)、金属钌(Ru)、金属铑(Rh)、金属钨(W)、金属钨(Cr)和金属钼(Mo)中的一种或两种及多种合金。

所述金属纳米片和石墨烯的质量分别为(2～20)mg和(0.1～40)mg。

所述水凝胶溶剂为水、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、甲苯中的一种或多种混合溶剂。

所述金属纳米片其几何特征为卷曲片状，片状直径为10nm～1um，厚度为0.5～2nm。

所述金属纳米片/石墨烯复合物水凝胶和气凝胶，其化学结构特征：含有丰富的缺陷氧和含氧官能团，占比为20％～90％。

本发明提供了上述技术方案所述的三维石墨烯/碳纳米管水凝胶、气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)溶剂热法制备金属纳米片/石墨烯复合水凝胶