CN103950924B - 一种镶嵌金属纳米粒子石墨烯的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镶嵌金属纳米粒子石墨烯的合成方法，包括以下步骤：将葡萄糖和双氰胺以及相应的金属盐溶解在去离子水中得到前驱体的混合溶液，在75℃下将前驱体混合溶液蒸干，得到白色粉末固体，在氮气的保护下煅烧，控制煅烧温度范围为700℃-1200℃，最后自然冷却降温即可得到镶嵌金属纳米粒子石墨烯产物；所述的双氰胺和葡萄糖的质量比为20∶1-40∶1，所述的金属盐中的金属元素占葡萄糖中碳含量的0.01wt％-60wt％。与现有技术相比，本发明制备过程简单，仅需一步反应，并且适用性很强，几乎可以适用于所有的过渡金属(包括但不限于Fe、Co、Ni、Mo、Zn、Cu)。并且制备过程绿色环保，无任何有毒副产物生成。
Description
技术领域
本发明属于纳米复合材料领域，具体涉及一种一步合成金属(包括但不限于Fe、Co、Ni、Mo、Zn、Cu)纳米粒子镶嵌到石墨烯片层内的方法。
背景技术
石墨烯，即单层石墨，具有优异的导电导热性能；因为石墨烯是通过碳碳键相连，所以它具有非常高的机械强度。虽然石墨烯具有许多优异性能，但是由于制备方法的局限，使其具有许多的缺陷，使它的导热性能无法达到理论那么高，因为石墨烯导电性能十分优异，可以用作电子器件的材料，但是它本身是一个零带隙的物质，这又限制了它的使用。如何利用这些优异性能来制备高性能的材料和器件成为材料科学领域的热点。制备石墨烯的方法多种多样，其中比较传统的哈默法，利用哈默制取的是氧化石墨烯，然后进一步地进行还原，才能得到石墨烯，该方法在制备的过程中需要使用浓硫酸以及高锰酸钾，危险性高，并且通过此种方法制备的石墨烯含有较多缺陷，直接影响了它的性能，尤其导热性能；另一种比较成熟的方法是化学气相沉积法，化学气相沉积法生长石墨烯是近几年来一个比较热的研究方向。作为一种重要的工业手段，通常用来生产薄膜材料或者对无机材料表面进行包覆改性。化学气相沉积就是将一种或者几种气相前驱体(含有碳源)通过载气运送到高温反应炉中，使之在加热的基底上进行生长，最后形成一层石墨烯的薄膜，但是这种方法很难进行批量的生产。还有外延生长法，此方法是以单晶碳化硅为模版，将碳化硅在超高真空、1000℃摄氏度的条件下处理，单晶碳化硅的001晶面里的硅会被释放出来，剩下了石墨化的碳。利用这种方法可以可控的制备出单层或者多层的石墨烯，其厚度由加热的温度来决定。这种方法的缺点也比较明显，就是宏量制备石墨烯粉体比较困难。
为了解决这些问题，科学家们研究出了各种制备石墨烯的方法，并且通过向石墨烯中引入客体物质，如纳米粒子，碳纤维等；或者向石墨烯片层中掺入杂原子，来调整石墨烯的带隙，使得石墨烯具有更加优良的实际使用性能。
纳米粒子由于其自身尺度在纳米级别，因而能够表现出很多优良的物理和化学性能，例如吸附，催化，能量存储等等，但是将纳米粒子镶嵌到石墨烯层中还是一个很具有挑战性的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种镶嵌金属纳米粒子石墨烯的合成方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种镶嵌金属纳米粒子石墨烯的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：将葡萄糖和双氰胺以及相应的金属盐溶解在去离子水中得到前驱体的混合溶液，在75℃下将前驱体混合溶液蒸干，得到白色粉末固体，在氮气的保护下煅烧，控制煅烧温度范围为700℃-1200℃，最后自然冷却降温即可得到镶嵌金属纳米粒子石墨烯产物；所述的双氰胺和葡萄糖的质量比为20∶1-40∶1，所述的金属盐中的金属元素占葡萄糖中碳含量的0.01wt％-60wt％。
所述的金属盐中的金属元素包括Fe、Co、Ni、Mo、Zn或Cu。
所述的金属盐是氯化物、硝酸盐、草酸盐或硫酸盐。
所述的金属盐中的金属元素占葡萄糖中碳含量的0.1％-30％。
所述的煅烧温度范围为700℃-1100℃。
所述的镶嵌金属纳米粒子石墨烯产物中金属纳米粒子粒径尺寸为5-50nm，镶嵌于石墨烯层上，其载体为石墨烯。
所述的金属盐中的金属元素占葡萄糖中碳含量的5wt％。
本发明提出了一种一步合成镶嵌金属(包括但不限于Fe、Co、Ni、Mo、Zn、Cu)纳米粒子石墨烯材料的方法。方法简单易行，绿色环保，安全，无需还原剂，制得的石墨烯性能优异，并且纳米粒子的尺寸分布较窄，平均粒径可在5-150nm之间调控。本发明所合成的样品中的纳米粒子可以非常紧密的与石墨烯层结合在一起，通过这种相互作用，一方面是石墨烯的带隙被打开，另一方面金属(包括但不限于Fe、Co、Ni、Mo、Zn、Cu)纳米粒子的外层电子与石墨烯上所掺杂的氮原子相互作用，改变了石墨烯的电子结构，使其活性位点增多，更加活泼，这都有利于石墨烯发挥它那迷人的性能。
与现有技术相比，本发明以金属盐，葡萄糖和双氰胺等小分子为前驱物，通过一步法合成了镶嵌金属(包括但不限于Fe、Co、Ni、Mo、Zn、Cu)纳米粒子石墨烯材料，具有简单易行，安全环保，环境友好等优点，并且可实现宏量地制备。
附图说明
图1为合成的钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料的X-射线衍射图谱；
图2为钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料的透射电镜照片。
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。
实施例1：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制氯化钴与葡萄糖中碳的比例为0.01％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，700℃煅烧，得到钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
如图1所示，合成的钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料的X-射线衍射图谱，可以看出所合成的纳米粒子能够跟Co的标准PDF卡片对的很好，证明了我们的纳米粒子是Co，而不是Co的氧化物或者碳化物。
如图2所示，钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料的透射电镜照片，可以看出我们所制取的纳米粒子粒径分布均匀，石墨烯的片层较薄。
实施例2：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制氯化钴与葡萄糖中碳的比例为0.01％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，850℃煅烧，得到钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例3：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制氯化钴与葡萄糖中碳的比例为0.01％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1000℃煅烧，得到钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例4：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制氯化钴与葡萄糖中碳的比例为0.01％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1100℃煅烧，得到钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例5：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制氯化钴与葡萄糖中碳的比例为0.01％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1200℃煅烧，得到钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例6：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制氯化钴与葡萄糖中碳的比例为1％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1000℃煅烧，得到钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例7：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制氯化钴与葡萄糖中碳的比例为5％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1000℃煅烧，得到钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例8：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制氯化钴与葡萄糖中碳的比例为10％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1000℃煅烧，得到钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例9：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制氯化钴与葡萄糖中碳的比例为60％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1000℃煅烧，得到钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例10：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为30∶1，控制氯化钴与葡萄糖中碳的比例为5％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1000℃煅烧，得到钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例11：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为20∶1，控制氯化钴与葡萄糖中碳的比例为5％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1000℃煅烧，得到钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例12：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制硝酸钴与葡萄糖中碳的比例为5％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1000℃煅烧，得到钴纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例13：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制氯化铁与葡萄糖中碳的比例为5％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1000℃煅烧，得到铁纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例14：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制氯化镍与葡萄糖中碳的比例为5％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1000℃煅烧，得到镍纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例15：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制氯化铜与葡萄糖中碳的比例为5％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1000℃煅烧，得到铜纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例16：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制钼酸铵与葡萄糖中碳的比例为5％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1000℃煅烧，得到钼纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
实施例17：
控制双氰胺和葡萄糖的质量比为40∶1，控制氯化锌与葡萄糖中碳的比例为5％，将三者用去离子水溶解，于75℃下蒸干，将得到的中间产物在氮气保护的条件下，1000℃煅烧，得到锌纳米粒子镶嵌的石墨烯材料。
Claims (6)
1.一种镶嵌金属纳米粒子石墨烯的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：将葡萄糖和双氰胺以及相应的金属盐溶解在去离子水中得到前驱体的混合溶液，在75℃下将前驱体混合溶液蒸干，得到白色粉末固体，在氮气的保护下煅烧，控制煅烧温度范围为700℃-1200℃，最后自然冷却降温即可得到镶嵌金属纳米粒子石墨烯产物；所述的双氰胺和葡萄糖的质量比为20:1-40:1，所述的金属盐中的金属元素占葡萄糖中碳含量的0.01wt％-60wt％；
所述的镶嵌金属纳米粒子石墨烯产物中金属纳米粒子粒径尺寸为5-50nm，镶嵌于石墨烯层上，其载体为石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种镶嵌金属纳米粒子石墨烯的合成方法，其特征在于，所述的金属盐中的金属元素为Fe、Co、Ni、Mo、Zn或Cu。
3.根据权利要求1所述的一种镶嵌金属纳米粒子石墨烯的合成方法，其特征在于，所述的金属盐是氯化物、硝酸盐、草酸盐或硫酸盐。
4.根据权利要求1所述的一种镶嵌金属纳米粒子石墨烯的合成方法，其特征在于，所述的金属盐中的金属元素占葡萄糖中碳含量的0.1％-30％。
5.根据权利要求1所述的一种镶嵌金属纳米粒子石墨烯的合成方法，其特征在于，所述的煅烧温度范围为700℃-1100℃。
6.根据权利要求1所述的一种镶嵌金属纳米粒子石墨烯的合成方法，其特征在于，所述的金属盐中的金属元素占葡萄糖中碳含量的5wt％。
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