CN102527387A

CN102527387A - 铁酸铜-石墨烯纳米复合物及其制备方法

Info

Publication number: CN102527387A
Application number: CN2011104412242A
Authority: CN
Inventors: 汪信; 付永胜; 熊攀; 孙敬文; 朱俊武
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种铁酸铜-石墨烯纳米复合物及其制备方法。将氧化石墨置于乙醇中超声分散，硝酸铁和硝酸铜加入到乙醇中搅拌溶解，然后将二种体系混合，之后将混合体系转移至水热釜中进行反应，反应结束后，产物经离心分离、洗涤和干燥后，获得铁酸铜-石墨烯纳米复合物。本发明以石墨烯为支撑材料采用水热合成的方法，制备了大小均一，分散均匀的铁酸铜纳米片。应用本发明制备的铁酸铜-石墨烯纳米复合物在污水处理和锂离子电池方面具有较好的应用前景和经济效益。

Description

铁酸铜-石墨烯纳米复合物及其制备方法

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备领域，具体是涉及一种在以石墨烯为支撑材料，并在其表面沉积大小均一，分散均匀的纳米铁酸铜纳米片，特别是铁酸铜-石墨烯纳米复合物的制备方法。

背景技术

尖晶石结构的铁酸铜，由于它具有较好的磁学性能，优异的稳定性，已经广泛的运用到信息存储、电学器件和药物载体等领域。到目前为止，将具有尖晶石结构的铁酸铜用于可见光催化剂和锂电池材料的研究还鲜有报道。在现有的铁酸铜制备方法中（Zhipeng Sun, Lang Liu, Dian zeng Jia, Weiyu Pan，Simple synthesis of CuFe₂O₄ nanoparticles as gas-sensing materials，Sensors and Actuators B 125 (2007) 144–148；Satoshi Kameoka, Toyokazu Tanabe, An Pang Tsai，Self-assembled porous nano-composite with high catalytic performance by reduction of tetragonal spinel CuFe₂O₄，Applied Catalysis A: General，375 (2010) 163–171），都是通过高温煅烧获得，制备的铁酸铜容易发生团聚，从而导致性能变差。采用实验条件温和的软化学方法制备纳米铁酸铜还没有报道。

近年来，环境恶化问题日益突出，可见光光催化作为一种绿色能源技术在环境污染的有效治理方面引起了科学家们的广泛关注。另一方面，光催化降解有机污染废水常采用固-液反应体系，催化剂的分离和回收以及重复使用也是必须解决的关键问题之一。可磁分离的光催化剂能在悬浮体系中保持较高的光催化效率, 反应后又能在外加磁场下方便地分离，供回收循环使用。因而，从充分利用太阳光的角度出发，制备在可见光下具有光催化活性的可磁分离的催化剂具有重大的现实意义。

同时，全球资源紧缺使人类发展面临严峻挑战，全球可持续发展战略使以储能技术为基础的新能源受到各国政府关注，其中，由于锂离子电池具有工作电压和比能量密度高、循环性好、无记忆效应等优点被广泛用于便携装置储能电池中，并在新能源汽车动力电池方面潜力巨大。关于锂离子电池的研究方向，其中一个重要的方面就是电极材料的设计与制备问题。如何设计并制备出稳定的、性能优异的锂离子电池材料成为了最近研究的热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高的光催化活性的可见光催化剂铁酸铜-石墨烯纳米复合物，提供一种高的比能力密度，循环性好的锂电池材料铁酸铜-石墨烯纳米复合物。尤其是铁酸铜-石墨烯纳米复合物纳米复合物的制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：铁酸铜-石墨烯纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将氧化石墨在乙醇中超声分散得氧化石墨烯溶液；

第二步，将铜盐与铁盐混合，并在乙醇中搅拌溶解；

第三步，将第一步所得的氧化石墨烯溶液与第二步所得的溶液混合，并搅拌，调节pH值；

第四步，将第三步的混合溶液转移至水热釜中反应。

第五步，将第四步产物离心分离并洗涤、干燥后获得铁酸铜-石墨烯纳米复合物。

步骤一中所述的超声30-60min，所述的氧化石墨采用hummer法制备。

步骤二中所述铜盐和铁盐为硝酸铜和硝酸铁，所述的硝酸铁和硝酸盐的摩尔比为2:1，搅拌时间为30-60 min。

步骤三中所述混合溶液的搅拌时间为30-60min，pH=8-12。

步骤四中所述水热反应温度为140-200℃，时间为12-20h。

步骤五中所得到的铁酸铜-石墨烯纳米复合材料中的石墨烯的质量分数10~40 wt%。

本发明与现有技术相比，其优点在于：（1）采用石墨烯为支撑材料，在其表面沉积大小均一，分散均匀的铁酸铜纳米片，提供了比较大的表面积和更多的活性中心；（2）通过水热反应，氧化石墨被还原成石墨烯，避免了使用其他还原剂，对环境无污染；（3）应用本发明制备的铁酸铜-石墨烯纳米复合物在污水处理和锂电池方面具有较好的应用前景和经济效益。

附图说明

附图1是本发明铁酸铜-石墨烯纳米复合物制备的流程示意图。

附图2是本发明实例2所得铁酸铜-石墨烯（25 wt%）纳米复合材料的XRD图谱。

附图3是本发明实例2所得铁酸铜-石墨烯（25 wt%）纳米复合材料的TEM照片。

具体实施方式

结合附图1，铁酸铜-石墨烯（10~40 wt%）纳米复合物，由以下步骤制备而得：

第一步，将氧化石墨在乙醇中超声分散30-60min，得到氧化石墨烯溶液；

第二步，将摩尔比为1:2的将硝酸铜与硝酸铁混合，加入到乙醇中搅拌30-60 min；

第三步，将第一步所得的氧化石墨烯溶液与第二步所得的溶液混合，并搅拌30-60 min，调节pH pH=8-12；

第四步，将第三步的混合溶液转移至水热釜中反应，温度为140-200℃，时间为12-20h。

第五步，将第四步产物离心分离，用去离子水洗涤，干燥后获得铁酸铜-石墨烯（10~40 wt%）纳米复合物。

实施实例1：本发明铁酸铜-石墨烯（10 wt%）纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：

第一步，采用hummer法制备氧化石墨。将10 g石墨粉加入到80℃的过硫酸钾（5 g），五氧化二磷（5g）的浓硫酸溶液（15mL）中，预氧化6小时，之后冷却到室温，抽虑，洗涤至中性。将预氧化的石墨粉（10 g）加入到0℃的230 mL浓硫酸溶液里，之后小心的加入30g的高锰酸钾，之后于35℃反应2h，最后向反应液中加入1L去离子水和25mL的30%的过氧化氢使反应终止，抽虑，洗涤，透析，制得氧化石墨；将26.5mg的氧化石墨置于50mL乙醇中超声分散30min；

第二步，将0.2416g硝酸铜和0.8080 g硝酸铁溶解在20mL乙醇中搅拌60min；

第三步，将第一步与第二步混合，并搅拌40min，用6M的氢氧化钠溶液调节pH=8；

第四步，将第三步的混合溶液转移至100mL水热釜中，在140℃反应16h；

第五步，将第五步产物离心分离，用去离子水洗涤，干燥后获得铁酸铜-石墨烯（10 wt%）纳米复合物。

实施实例2：本发明铁酸铜-石墨烯（25 wt%）纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：

第一步，氧化石墨制备同实施实例1，将80mg的氧化石墨置于50mL乙醇中超声分散60min；

第三步，将第一步与第二步混合，并搅拌60min，用6M的氢氧化钠溶液调节pH=10；

第四步，将第三步的混合溶液转移至100mL水热釜中，在180℃反应20h；

第五步，同实施实例1中的步骤五，干燥后获得铁酸铜-石墨烯（25 wt%）纳米复合物，其XRD图谱和TEM照片如图2和图3所示。

实施实例3：本发明铁酸铜-石墨烯（35 wt%）纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：

第一步，氧化石墨制备同实施实例1，将129mg的氧化石墨置于50mL乙醇中超声分散60min；

第二步，将0.2416g醋酸锌和0.8080 g硝酸铁溶解在20mL乙醇中搅拌60min；

第三步，将第一步与第二步混合，并搅拌60min，用6M的氢氧化钠溶液调节pH=12；

第四步，将第三步的混合溶液转移至100mL水热釜中，在160℃反应16h；

第五步，同实施实例1中的步骤五，干燥后获得铁酸铜-石墨烯（35 wt%）纳米复合物。

实施实例4：本发明铁酸铜-石墨烯（40 wt%）纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：

第一步，氧化石墨制备同实施实例1，将160mg的氧化石墨置于50mL乙醇中超声分散60min；

第二步，将0.2416g醋酸锌和0.8080 g硝酸铁溶解在20mL乙醇中搅拌30min；

第三步，将第一步与第二步混合，并搅拌30min，用6M的氢氧化钠溶液调节pH=9；

第四步，将第三步的混合溶液转移至100mL水热釜中，在200℃反应14h；

第五步，同实施实例1中的步骤五，干燥后获得铁酸铜-石墨烯（40 wt%）纳米复合物。

Claims

1.一种铁酸铜-石墨烯纳米复合物，其特征在于所述复合物按以下步骤制备：

第1步，将氧化石墨在乙醇中超声分散得氧化石墨烯溶液；

第2步，将铜盐与铁盐混合，并在乙醇中搅拌溶解；

第3步，将第1步所得的氧化石墨烯溶液与第2步所得的溶液混合，并搅拌，调节pH值；

第4步，将第3步的混合溶液转移至水热釜中反应；

第5步，将第4步产物离心分离并洗涤、干燥后获得铁酸铜-石墨烯纳米复合物。

2.根据权利要求1所述铁酸铜-石墨烯纳米复合物，其特征在于步骤1中所述的超声时间为30-60min，所述的氧化石墨采用hummer法制备。

3.根据权利要求1所述铁酸铜-石墨烯纳米复合物，其特征在于步骤2中所述铜盐为硝酸铜，所述铁盐为硝酸铁，所述的硝酸铁和硝酸盐的摩尔比为2:1，所述的搅拌时间为30-60min。

4.根据权利要求1所述铁酸铜-石墨烯纳米复合物，其特征在于步骤3中所述的搅拌时间为30-60min，所述的pH=8-12。

5.根据权利要求1所述铁酸铜-石墨烯纳米复合物，其特征在于步骤4中所述的反应温度为140-200℃，所述的反应时间为12-20h。

6.根据权利要求1所述铁酸铜-石墨烯纳米复合物，其特征在于步骤5中所述的铁酸铜-石墨烯纳米复合材料中石墨烯的质量分数10~40 wt%。

7.一种铁酸铜-石墨烯纳米复合物的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：第1步，将氧化石墨在乙醇中超声分散得氧化石墨烯溶液；

第2步，将铜盐与铁盐混合，并在乙醇中搅拌溶解；

第4步，将第3步的混合溶液转移至水热釜中反应；

8.根据权利要求7所述的铁酸铜-石墨烯纳米复合物的制备方法，其特征在于步骤1中所述的超声时间为30-60min，所述的氧化石墨采用hummer法制备；步骤2中所述铜盐为硝酸铜，所述铁盐为硝酸铁，所述的硝酸铁和硝酸盐的摩尔比为2:1，所述的搅拌时间为30-60min。

9.根据权利要求7所述的铁酸铜-石墨烯纳米复合物的制备方法，其特征在于步骤3中所述的搅拌时间为30-60min，所述的pH=8-12；步骤4中所述的反应温度为140-200℃，所述的反应时间为12-20h。

10.根据权利要求7所述的铁酸铜-石墨烯纳米复合物的制备方法，其特征在于步骤5中所述的铁酸铜-石墨烯纳米复合材料中石墨烯的质量分数10~40 wt%。