CN103736993A - 石墨烯/铜复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯/铜复合材料的制备方法；所述方法包括如下步骤：步骤一：称取所述五水合硫酸铜、硫酸镍、柠檬酸、硼酸配制成混合溶液A，搅拌；步骤二：将混合溶液A放置于磁力搅拌水浴锅中加热，再加入氧化石墨烯溶液，搅拌，制成混合溶液B；步骤三：向溶液B中加入次亚磷酸钠溶液，搅拌，进行加速反应，超声分散处理，即可获得均匀分散的石墨烯/铜复合材料溶液；步骤五：用微孔过滤膜对溶液进行反复抽滤，多次洗涤至pH呈中性，真空干燥，还原，即可。本发明制备方法简单，操作方便，成本低，有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体是一种石墨烯/铜复合材料的制备方法。
背景技术
石墨烯，即单层石墨层片，指的是由sp2杂化的碳原子紧密排列而形成的仅有一个原子尺寸厚的蜂窝状晶体结构。碳原子之间的化学键是很强的σ键，其共价键会使得石墨烯具有极高的强度（130GPa），是普通刚材料的100多倍；杨氏模量最高可达1100GPa，与碳纳米管相当。除此之外，石墨烯的载流子迁移率为250000cm2/（VS）约为硅中电子迁移率的140倍，热导率为5000W m-1K-1，是金刚石的3倍。基于这些特性，石墨烯已在电子学、光学、磁学、生物医学、催化储能等多种领域中显示出巨大的应用前景，使得石墨烯成为21世纪最受瞩目的材料之一。为了更好的应用石墨烯的优良性能，自2006年首次报到石墨烯复合材料以来，多种石墨烯复合材料在近十年内得到了广泛的关注。石墨烯金属复合材料是指通过某种手段使得将金属纳米粒子分散在石墨烯片层表面上，这不仅可以克服石墨烯层间巨大的范德华力，阻止石墨烯片层之间的团聚，也可以保持石墨烯作为高比表面积材料的特性。多个实验表明，石墨烯金属粒子复合材料表现出来的众多性能均比单个金属本身要好的多，因此关于石墨烯复合材料的制备工艺及性能分析一直处于科研前沿。
目前，石墨烯制备方法主要分为4种：微机械剥离、化学气相沉积法(CVD)、SiC外延法和氧化还原法。机械剥离法是一种简单的石墨烯制备方法，然而该方法的可控性和量产能力较差，无法大规模批量制备，因此仅适于进行科学研究。CVD法在一定程度上能够对石墨烯的结构进行控制，但该方法生产成本高，工艺复杂，获得的石墨烯质量也不高。SiC外延法可以实现量产，但存在石墨烯层数难以控制，成本较大等问题。氧化还原法尽管存在氧化石墨烯还原不彻底等问题。
对于石墨烯复合材料，其制备手段总体上分为物理方法和化学方法两大类。物理合成法最明显的优点是其制备方法简单，实验条件要求低，成本低，但制备效率不高，不适用于大批量生产。化学法是近几年合成石墨烯复合材料中最常见的一种方法，具体分为侵渍还原法和原位还原法。化学合成法制备效率高，但目前常用的还原剂（例如水合肼）具有一定的毒性，对实验条件要求较高，且有机还原剂的成本也较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯/铜复合材料的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种石墨烯/铜复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：分别称取所述五水合硫酸铜、硫酸镍、柠檬酸、硼酸加入装有去离子水的烧杯中配制成混合溶液A，在常温下搅拌；
步骤二：将上述混合溶液A放置于磁力搅拌水浴锅中加热，再加入氧化石墨烯溶液，搅拌，制成混合溶液B；
步骤三：向所述混合溶液B中加入次亚磷酸钠溶液，搅拌，进行加速反应，超声分散处理，即可获得均匀分散的石墨烯/铜复合材料溶液；
步骤四：用微孔过滤膜对所述石墨烯/铜复合材料溶液进行反复抽滤，将其产物用去离子水多次洗涤至pH呈中性，真空干燥，再在还原气氛条件下还原，即可得最终产物石墨烯/铜复合材料。
优选地，所述方法中包括如下以下重量份数的各组分：
优选地，步骤一中，所述去离子水为600～800ml。
优选地，步骤二中，所述水浴锅的温度为45～60℃时，加入所述氧化石墨烯溶液，所述氧化石墨烯溶液的质量百分比浓度为5mg～20mg/L。
优选地，步骤二中，所述混合溶液B的温度为65～75℃时，加入所述次亚磷酸钠溶液，所述次亚磷酸钠溶液的质量百分比浓度为2～5g/L。
优选地，步骤四中，所述微孔过滤膜的孔径为0.2um。
优选地，步骤四中，所述真空干燥的温度为50～60℃，真空干燥时间为18～30h。
优选地，步骤四中，所述还原时间为0.5～2小时。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明采用以次亚磷酸钠作为还原剂制备石墨烯/铜复合材料的方法，其方法采用的还原剂无毒，反应条件温和安全，还原程度高，所制备的石墨烯/铜复合材料具备稳定的分散性，产物质量高。
（2）本发明制备方法所需装置简单，操作方便，制备成本低，既适用于小范围的基础研究，也适用于大批量生产的商业化应用。
（3）本发明采用的是通过一步还原法直接制备石墨烯/铜复合材料，相比传统的制备方法未进行活化与敏化处理，本发明方法极大的简化了复合材料的制备过程，避免了溶液中混入多余杂质离子的可能性，获得了更纯的石墨烯/铜复合材料。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本方法制备得到的石墨烯/铜复合材料的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例还涉及石墨烯/铜复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：分别称取所述5g五水合硫酸铜、0.5g硫酸镍、16g柠檬酸、25g硼酸加入装有去离子水600-800ml的烧杯中配制成混合溶液A，在常温下搅拌；
步骤二：将上述混合溶液A放置于磁力搅拌水浴锅中加热50℃时，加入氧化石墨烯溶液（质量百分比浓度为10mg/L），搅拌，制成混合溶液B；
步骤三：向所述混合溶液B中（其中溶液温度为65℃）加入次亚磷酸钠溶液（质量百分比浓度为2g/L），其中含有次亚磷酸钠2g，搅拌，进行加速反应，超声分散处理，即可获得均匀分散的石墨烯/铜复合材料溶液；
步骤四：用微孔过滤膜（孔径为0.2um）对所述石墨烯/铜复合材料溶液进行反复抽滤，将其产物用去离子水多次洗涤至pH呈中性，50～60℃真空干燥30h，再在还原气氛条件下还原0.5～2小时，即可得最终产物石墨烯/铜复合材料。
实施例2
本实施例还涉及石墨烯/铜复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：分别称取所述10g五水合硫酸铜、1g硫酸镍、23g柠檬酸、35g硼酸加入装有去离子水600-800ml的烧杯中配制成混合溶液A，在常温下搅拌；
步骤二：将上述混合溶液A放置于磁力搅拌水浴锅中加热45℃时，加入氧化石墨烯溶液（质量百分比浓度为5mg/L），搅拌，制成混合溶液B；
步骤三：向所述混合溶液B中（其中溶液温度为65℃）加入次亚磷酸钠溶液，其中含有次亚磷酸钠（质量百分比浓度为5g/L），搅拌，进行加速反应，超声分散处理，即可获得均匀分散的石墨烯/铜复合材料溶液；
步骤四：用微孔过滤膜（孔径为0.2um）对所述石墨烯/铜复合材料溶液进行反复抽滤，将其产物用去离子水多次洗涤至pH呈中性，50℃真空干燥18h，再在还原气氛条件下还原0.5小时，即可得最终产物石墨烯/铜复合材料。
实施例3
本本实施例还涉及石墨烯/铜复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：分别称取所述8g五水合硫酸铜、0.8g硫酸镍、20g柠檬酸、30g硼酸加入装有去离子水600-800ml的烧杯中配制成混合溶液A，在常温下搅拌；
步骤二：将上述混合溶液A放置于磁力搅拌水浴锅中加热60℃时，加入氧化石墨烯溶液（质量百分比浓度为20mg/L），搅拌，制成混合溶液B；
步骤三：向所述混合溶液B中（其中溶液温度为75℃）加入次亚磷酸钠溶液，（质量百分比浓度为3g/L），搅拌，进行加速反应，超声分散处理，即可获得均匀分散的石墨烯/铜复合材料溶液；
步骤四：用微孔过滤膜（孔径为0.2um）对所述石墨烯/铜复合材料溶液进行反复抽滤，将其产物用去离子水多次洗涤至pH呈中性，50℃真空干燥24h，再在还原气氛条件下还原0.5小时，即可得最终产物石墨烯/铜复合材料。
实施例1～3制备得到的石墨烯/铜复合材料，见图1所示为本发明方法制得的石墨烯/铜复合材料的透射电镜图；从图1中可看出纳米级铜颗粒均匀分布在石墨烯薄片上，未发现明显的铜团聚现象，铜颗粒尺寸约为8～12nm。
综上所述：本发明采用以次亚磷酸钠作为还原剂制备石墨烯/铜复合材料的方法，其方法采用的还原剂无毒，反应条件温和安全，还原程度高，所制备的石墨烯/铜复合材料具备稳定的分散性，产物质量高；本发明制备方法所需装置简单，操作方便，制备成本低，既适用于小范围的基础研究，也适用于大批量生产的商业化应用；本发明采用的是通过一步还原法直接制备石墨烯/铜复合材料，相比传统的制备方法未进行活化与敏化处理，本发明方法极大的简化了复合材料的制备过程，避免了溶液中混入多余杂质离子的可能性，获得了更纯的石墨烯/铜复合材料。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (8)
1.一种石墨烯/铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：分别称取所述五水合硫酸铜、硫酸镍、柠檬酸、硼酸加入装有去离子水的烧杯中配制成混合溶液A，在常温下搅拌；
步骤二：将上述混合溶液A放置于磁力搅拌水浴锅中加热，再加入氧化石墨烯溶液，搅拌，制成混合溶液B；
步骤三：向所述混合溶液B中加入次亚磷酸钠溶液，搅拌，进行加速反应，超声分散处理，即可获得均匀分散的石墨烯/铜复合材料溶液；
步骤四：用微孔过滤膜对所述石墨烯/铜复合材料溶液进行反复抽滤，将其产物用去离子水多次洗涤至pH呈中性，真空干燥，再在还原气氛条件下还原，即可得最终产物石墨烯/铜复合材料。
2.如权利要求1所述的石墨烯/铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法中包括如下以下重量份数的各组分：
3.如权利要求1所述的石墨烯/铜复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述去离子水为600～800ml。
4.如权利要求1所述的石墨烯/铜复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述水浴锅的温度为45～60℃时，加入所述氧化石墨烯溶液，所述氧化石墨烯溶液的质量百分比浓度为5mg～20mg/L。
5.如权利要求1所述的石墨烯/铜复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述混合溶液B的温度为60～75℃时，加入所述次亚磷酸钠溶液，所述次亚磷酸钠溶液的质量百分比浓度为2～5g/L。
6.如权利要求1所述的石墨烯/铜复合材料的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述微孔过滤膜的孔径为0.2um。
7.如权利要求1所述的石墨烯/铜复合材料的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述真空干燥的温度为50～60℃，真空干燥时间为18～30h。
8.如权利要求1所述的石墨烯/铜复合材料的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述还原时间为0.5～2小时。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20151209 Termination date: 20190103 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |