CN102921444A - 一种制备p25/氮掺杂石墨烯复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备P25/氮掺杂石墨烯复合材料的方法，包括：（1）室温下将氧化石墨GO分散于去离子水中，所得混合液超声分散均匀后，加入P25型二氧化钛和水合肼溶液，搅拌均匀，形成反应液；（2）将上述反应液升温至150~210℃，反应8~24h；（3）将所得产物冷却至室温，离心收集产物，洗涤产物，烘干即得P25/氮掺杂石墨烯复合材料。本发明涉及的P25/氮掺杂石墨烯复合材料制备方法操作简单，低成本，易于工业化生产；环境友好，可重复性好；可用于锂离子电池负极，也可用于光催化剂、染料敏化太阳能电池等领域。

Description

一种制备P25/氮掺杂石墨烯复合材料的方法
技术领域
本发明属石墨烯基复合材料的制备领域，特别是涉及一种制备P25/氮掺杂石墨烯复合材料的方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子按sp2碳晶格紧密排列形成类似于蜂窝状结构的层状材料，近年来受到科学界的广泛关注。石墨烯的电子运动速度达到光速的1/300，也就是说远远超过了电子在一般导体中的运动速度，许多研究期待通过与石墨烯复合以达到提高材料电性能的目的。此外，它还具有很多优良的性能：良好的热传导性能、机械性能、化学稳定性，大的表面积-体积比，这使得它在纳米电子学、传感器、纳米复合材料、电池、超级电容器和氢存储等许多科技领域具有巨大的应用前景。
近年来研究者发现，石墨烯基复合材料可以显著提高原材料的电导率、导热性、催化性能等性能。M.Simona Moldovan等在The Journal of Physical Chemistry C 116(2012)9274-9282上报道了以微波处理可膨胀石墨为石墨烯源，以硼氢化钠为还原剂，在低温下制备了石墨烯/铂纳米复合材料，平均粒径为2nm的铂颗粒均匀分散在石墨烯表面，有效防止铂纳米颗粒的团聚，促进反应快速进行。Jianguo Hu等在Talanta 93(2012)345-349上报道了通过引入环境友好的六亚甲基四胺为还原剂来制备石墨烯/金纳米复合材料，由于石墨烯和金纳米颗粒的协同作用，所得复合材料制备的电极，在电化学催化过氧化氢的反应中表现出优良的性能。
尽管石墨烯可以改善材料的电子性质，但是由于现有技术无法批量得到没有缺陷的石墨烯，所以无法大量获得理想的复合材料，这就需要寻找新的方法来弥补石墨烯缺陷所带来的影响。Li Jia等在The Journal of Physical Chemistry C 115(2011)11466-11473上报到了氮掺杂石墨烯/硫化镉复合材料的制备方法，研究表明由于氮原子与碳原子形成新的Π-Π键，有助于改善石墨烯的电子性质，与半导体硫化镉复合后，提高了电子空穴分离程度，光催化分解水速率明显提高。氮掺杂石墨烯的优异性能在其他研究工作中也得到了证实。
P25型二氧化钛价格低廉，性能优越，是众学者熟知的光催化剂。申请人研究发现，P25型二氧化钛亦可以用来催化硼氢化钠水溶液来制备氢气，同时本发明期待将P25型二氧化钛负载在N掺杂石墨烯表面，得到更高的氢气制备速率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种制备P25/氮掺杂石墨烯复合材料的方法，该方法简单，易于工业化生产；对环境无污染；所得复合材料的催化效率明显高于纯P25。
本发明的一种制备P25/氮掺杂石墨烯复合材料的方法，包括：
（1）反应液的配置：室温下将氧化石墨GO分散于去离子水中，所得混合液超声分散均匀后，加入P25型二氧化钛和水合肼溶液，搅拌均匀，形成反应液；
（2）水热反应：将上述反应液升温至150~210℃，反应8~24h；
（3）P25/氮掺杂石墨烯复合材料的收集与洗涤：将所得产物冷却至室温，离心收集产物，洗涤产物，烘干即得P25/氮掺杂石墨烯复合材料。
所述步骤（1）中的GO悬浮液中GO的浓度为0.5~2mg/L，P25与GO质量比为0.5:1~2:1，水合肼加入量为0.001~0.008mL水合肼·g-1 氧化石墨。
所述步骤（1）中的水合肼溶液质量分数为50%。
所述步骤（3）中的洗涤为用去离子水洗涤。
所述步骤（3）中的烘干温度为40~90℃，时间为12~24h。
本发明涉及的P25/氮掺杂石墨烯复合材料制备方法采用一步水热的方法得到复合材料，反应过程中以水为溶剂，废液对环境无污染。所得复合材料可用于锂离子电池负极，也可用于光催化剂、染料敏化太阳能电池等领域。
有益效果
(1)本发明的制备方法简单，对生产设备要求低，易于工业化生产；
(2)本发明的制备方法对环境污染小，为环境友好型方法。
(3)所制备的P25/氮掺杂石墨烯复合材料P25与石墨烯比例可调，可以得到多种复合材料，使得该方法的应用更为广泛。
附图说明
图1是复合材料与氧化石墨及氮掺杂石墨烯的X射线衍射对比图；
图2是复合材料与氧化石墨烯的拉曼光谱对比图；
图3是复合材料与P25及P25/石墨烯复合材料催化硼氢化钠水溶液制备氢气速率对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
（1）室温下称取55mg氧化石墨分散于55mL去离子水中，所得混合液超声分散均匀后，加入55mg的P25和0.25mL水合肼溶液（50%），搅拌均匀，形成反应液；（2）将反应液加入反应釜中，升温至200℃，反应12h；（3）将所得产物冷却至室温，离心收集产物，去离子水洗涤产物，70℃下干燥16h得到P25/氮掺杂石墨烯复合材料。
图1为本实施例所得复合材料与氧化石墨及氮掺杂石墨烯的X射线衍射对比图可以看出该复合材料中含有P25型二氧化钛，氧化石墨被还原为石墨烯，并掺杂一定量的氮原子。图2为复合材料与氧化石墨烯的拉曼光谱对比图，可以看出氧化石墨片层被很好的还原，所得氮掺杂石墨烯片层表面缺陷相对较少。图3为复合材料与P25及P25/石墨烯复合材料催化硼氢化钠水溶液制备氢气速率对比图，可以看出相同条件下复合材料的产氢速率（3.2mL氢气·min-1·g催化剂 -1）明显高于P25（1.1mL氢气·min-1·g催化剂 -1），较P25/石墨烯复合材料（2.5mL氢气·min-1·g催化剂 -1）也有所提高，氮掺杂石墨烯的引入可有效提高P25的催化效率。
实施例2
（1）室温下称取30mg氧化石墨分散于55mL去离子水中，所得混合液超声分散均匀后，加入60mg的P25和0.05mL水合肼溶液（50%），搅拌均匀，形成反应液；（2）将反应液加入反应釜中，升温至180℃，反应18h；（3）将所得产物冷却至室温，离心收集产物，去离子水洗涤产物，60℃下干燥18h得到P25/氮掺杂石墨烯复合材料。复合材料的产氢速率约为（3.0mL氢气·min-1·g催化剂 -1）。
实施例3
（1）室温下称取100mg氧化石墨分散于55mL去离子水中，所得混合液超声分散均匀后，加入50mg的P25和0.6mL水合肼溶液（50%），搅拌均匀，形成反应液；（2）将反应液加入反应釜中，升温至210℃，反应10h；（3）将所得产物冷却至室温，离心收集产物，去离子水洗涤产物，80℃下干燥14h得到P25/氮掺杂石墨烯复合材料。复合材料的产氢速率约为（3.3mL氢气·min-1·g催化剂 -1）。
实施例4
（1）室温下称取300mg氧化石墨分散于330mL去离子水中，所得混合液超声分散均匀后，加入300mg的P25和1.5mL水合肼溶液（50%），搅拌均匀，形成反应液；（2）将反应液加入反应釜中，升温至200℃，反应18h；（3）将所得产物冷却至室温，离心收集产物，去离子水洗涤产物，80℃下干燥18h得到P25/氮掺杂石墨烯复合材料。复合材料的产氢速率约为（3.1mL氢气·min-1·g催化剂 -1）。

Claims (5)

1.一种制备P25/氮掺杂石墨烯复合材料的方法，包括：
（1）室温下将氧化石墨GO分散于去离子水中，所得混合液超声分散均匀后，加入P25型二氧化钛和水合肼溶液，搅拌均匀，形成反应液；
（2）将上述反应液升温至150~210℃，反应8~24h；
（3）将所得产物冷却至室温，离心收集产物，洗涤产物，烘干即得P25/氮掺杂石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种制备P25/氮掺杂石墨烯复合材料的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的GO悬浮液中GO的浓度为0.5~2mg/L，P25与GO质量比为0.5:1~2:1，水合肼加入量为0.001~0.008mL水合肼·g-1 氧化石墨。
3.根据权利要求1所述的一种制备P25/氮掺杂石墨烯复合材料的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的水合肼溶液质量分数为50%。
4.根据权利要求1所述的一种制备P25/氮掺杂石墨烯复合材料的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的洗涤为用去离子水洗涤。
5.根据权利要求1所述的一种制备P25/氮掺杂石墨烯复合材料的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的烘干温度为40~90℃，时间为12~24h。
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