CN104355307A - 一种RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法，具体是：先将氧化石墨烯还原，再用敏化，活化的方法使铜均匀地负载于石墨烯上，得到铜均匀负载于石墨烯片层上的纳米复合粉体。该方法包括石墨烯的敏化和活化、RGO/Cu纳米复合粉体的中间产物的制备、H2还原RGO/Cu的纳米复合粉体步骤。本发明提供的是一种制备铜均匀地负载于石墨烯片上的纳米复合材料的全新方法，具有高效、快速、操作比较简便、成本低、不需要使用昂贵仪器，以及节约能源等优点。

Description

一种RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜均匀负载于石墨烯上的制备方法，具体是一种RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法。
背景技术
石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，为共价键相连接，其碳碳键长约为0.142nm，是世界上最薄的二维材料,其厚度仅为0.335nm，他是构建其他碳质新材料的基本结构单元。石墨烯具有超大的比表面积约2630m2/g，极高的强度达130Gpa，而且几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/(m.K)，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/(V.s)，高于纳米碳管或硅晶体，而电阻率只约10-6Ω.cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。由于石墨烯独特的物理，化学及力学性质，因此在复合材料中可以作为一种很好的增强体材料。
近年来，随着电子工业的发展，对高强度、高导电导热材料的需求日益强烈，目前单质材料已经很难满足现代工业的发展，由于铜具有良好的导电、导热及机械加工性，因此是一种良好的基体材料，目前，人们采用不同的方法增强铜基材料，主要有显微增强铜合金，颗粒增强铜基复合材料，碳材料增强铜基复合材料。其中碳材料增强铜基复合材料分为碳纤维增强铜基复合材料，碳纳米管增强铜基复合材料以及石墨烯增强铜基复合材料。已有研究人员表明碳纳米管与碳纤维增强铜基复合材料中，他们会发生严重的团聚，不能均匀地分散于基体材料中，影响其导电导热性与机械性能。然而，目前对石墨烯增强铜基复合材料的研究较少，如果石墨烯在基体材料中的分散性提高，则有待提高材料的导电导热及力学性能。
为提高石墨烯在铜基复合材料中的分散性人们做了不同的尝试，其中文献(“石墨烯/铜复合材料制备及性能研究[D]”.哈尔滨工业大学，2012李彬等)采用球磨法，MP法等来制备铜和石墨烯的复合材料，球磨法制备的复合材料中石墨烯团聚现象严重，从而力学性能及电学性能较差，MP法则是用均质机处理氧化石墨烯与铜氨混合溶液，同时加热使其铜及氧化铜颗粒结晶出来，使氧化石墨烯剥离为单层及少层，以使铜及氧化铜颗粒能均匀地分布在氧化石墨烯片层间，最后通过H2还原将氧化石墨烯及氧化铜颗粒进行还原得到铜与石墨烯的复合粉体，由于这种方法提高了石墨烯的分散性，因此得到的复合材料性能较好。虽然复合材料的性能有所提高，但是石墨烯增强铜基复合材料的研究中仍然存在很多挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
本发明提供的RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法，具体是：先将氧化石墨烯还原，再用敏化，活化的方法使铜均匀地负载于石墨烯上，得到铜均匀负载于石墨烯片层上的纳米复合粉体。
所述的RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法，包括以下步骤：
(1)石墨烯的敏化，活化：
首先制备石墨烯溶液，其次将石墨烯溶液与配好的氯化亚锡敏化溶液相混合，搅拌30min，之后过滤，洗涤，再将产物溶于DMF溶液中，超声1h，再将上述溶液与硝酸银溶液混合，搅拌30min，在过滤，洗涤得到敏化、活化好的RGO溶液；
(2)RGO/Cu纳米复合粉体的中间产物的制备：
首先将称量好的CuSO4和Vc分别溶于DMF溶液中，搅拌，使其澄清，之后，将CuSO4溶液与RGO溶液相混合，搅拌30min，超声30min，然后将混合溶液转移至三口烧瓶中，三口烧瓶置于油浴锅中，以控制其温度，最后将Vc滴加到三口烧瓶中，进行反应；反应结束后，将产物进行过滤，洗涤和干燥；
(3)H2还原RGO/Cu的纳米复合粉体：
将干燥好的RGO/Cu的纳米复合粉体的中间产物放于H2炉中，于一定温度下保温一段时间，得到最终产物RGO/Cu的纳米复合粉体。
上述步骤(1)中，所述石墨烯的制备是取一定量的氧化石墨烯溶解于DMF溶液中配成氧化石墨烯溶液，氧化石墨烯的质量浓度范围为0.02％～0.05％，再将氧化石墨烯溶液转移至水热反应釜中，之后将水热反应釜置于烘箱中，在烘箱中保温温度在160℃～180℃之间，保温时间在10h～12h之间。
上述步骤(2)中，所述加入RGO的量为所还原出的铜的质量的0.5％～1％。
上述步骤(2)中，所述CuSO4的浓度为0.5g/L～1g/L。
上述步骤(2)中，所述Vc溶液的滴加速度为每秒钟1～3滴。
上述步骤(2)中，所述油浴锅的温度控制为80℃～120℃。
上述步骤(3)中，所述H2炉的温度控制为250℃～320℃，保温时间为2h～5h。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明使用敏化活化法，在还原石墨烯表面形成活化位点，使铜颗粒在该位点获得原位还原。制备得到的RGO/Cu纳米复合粉体中石墨烯的还原程度高，石墨烯分散性好，铜的粒度分布窄，并且能够均匀负载于石墨烯上，有效阻碍石墨烯团聚。该方法是一种制备RGO/Cu纳米复合粉体的全新方法，操作比较简便，成本低，不需要使用昂贵仪器，节约能源。
附图说明
图1为制备铜均匀负载于石墨烯上纳米复合材料的工艺流程图。
图2为本发明实例1所制备的RGO/Cu纳米复合材料的FESEM图。
图3为本发明实例2所制备的RGO/Cu纳米复合材料的FESEM图。
图4为本发明实例3所制备的RGO/Cu纳米复合材料的FESEM图。
图5为本发明实例4所制备的RGO/Cu纳米复合材料的FESEM图。
图6为本发明实例5所制备的RGO/Cu纳米复合材料的FESEM图。
图7为本发明实例6所制备的RGO/Cu纳米复合材料的FESEM图。
图8和图9为本发明实例3所制备的RGO/Cu纳米复合材料的TEM图。
图10为本发明所制备的RGO/Cu纳米复合粉体的中间产物的XRD图，其中：a，b，c分别表示CuSO4浓度为0.5g/L，反应温度分别80℃，100℃，120℃下得到的结果；d表示CuSO4浓度为1g/L，反应温度在120℃下的结果。
图11为本发明所制备的H2还原后的RGO/Cu纳米复合材料的XRD图，其中：a，b，c分别表示CuSO4浓度为0.5g/L，反应温度分别80℃，100℃，120℃下得到的结果；d表示CuSO4浓度为1g/L，反应温度在120℃下的结果。
具体实施方式
在本发明中，先将氧化石墨烯还原，再用敏化，活化的方法使铜均匀地负载于石墨烯上，得到铜均匀负载于石墨烯片层上的纳米复合粉体。
下面结合实施例及附图作进一步说明，以便更好地理解本发明，。
实施例1
a.氧化石墨烯的还原：称取0.03g的氧化石墨烯放入120ml的DMF溶液中，超声2h，使氧化石墨烯完全溶解于DMF溶液中，之后将溶液平均分成三份，分别放于三个100ml的水热反应釜中，水热反应釜放于烘箱中，180℃下保温12h。
b.石墨烯的敏化，活化：将2g SnCl2放入5ml浓HCl中，进行搅拌，待SnCl2完全溶解于HCl后，将45ml去离子水倾倒于HCl溶液中，继续搅拌。搅拌均匀后，40ml的石墨烯溶液与之混合，搅拌30min，之后过滤，洗涤，取出石墨烯溶液，将其超声分散于40ml的DMF溶液中超声1h，同时将0.425g AgNO3放入50ml水中，使其溶解，将石墨烯分散于DMF的溶液倾倒与AgNO3溶液中，搅拌2h之后过滤，洗涤。再次将活化好的石墨烯溶液40ml DMF溶液中。
c.RGO/Cu纳米复合材料的制备：首先分别称取0.312g和0.44g的CuSO4和Vc分别溶于30ml的DMF溶液中，搅拌30min，之后将敏化，活化好的RGO溶液与CuSO4溶液相混合，搅拌30min，超声30min，然后将混合溶液转移至三口烧瓶中，三口烧瓶置于油浴锅中，油浴锅温度设定为80℃，最后以每秒钟1～3滴的速度将Vc滴加到三口烧瓶中，反应6h。反应结束后，将产物进行过滤，洗涤，干燥，最后将干燥的产物放于方舟中，再将方舟转移至H2炉中，在320℃下保温5h，得到最终产物。
实施例2
本例实施中，氧化石墨烯的还原和石墨烯的敏化，活化的步骤与实施例1中，完全相同，不同的是油浴锅的温度控制为100℃。
实施例3
本例实施中，氧化石墨烯的还原和石墨烯的敏化，活化的步骤与实施例1中，完全相同，不同的是油浴锅的温度控制为120℃。
实施例4
本例实施中，基本与实施例3中步骤相同，不同的是CuSO4的浓度为1g/L。
实施例5
本例实施中，基本与实施例4中步骤相同，不同的是加入Vc后的反应时间为4h。
实施例6
本例实施中，基本与实施例4中步骤相同，不同的是加入Vc后的反应时间为8h。

Claims (8)

1.一种RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法，其特征是先将氧化石墨烯还原，再用敏化，活化的方法使铜均匀地负载于石墨烯上，得到铜均匀负载于石墨烯片层上的纳米复合粉体。
2.根据权利要求1所述的RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法，其特征是该方法包括以下步骤：
(1)石墨烯的敏化，活化：
首先制备石墨烯溶液，其次将石墨烯溶液与配好的氯化亚锡敏化溶液相混合，搅拌30min，之后过滤，洗涤，再将产物溶于DMF溶液中，超声1h，再将上述溶液与硝酸银溶液混合，搅拌30min，在过滤，洗涤得到敏化、活化好的RGO溶液；
(2)RGO/Cu纳米复合粉体的中间产物的制备：
首先将称量好的CuSO4和Vc分别溶于DMF溶液中，搅拌，使其澄清，之后，将CuSO4溶液与RGO溶液相混合，搅拌30min，超声30min，然后将混合溶液转移至三口烧瓶中，三口烧瓶置于油浴锅中，以控制其温度，最后将Vc滴加到三口烧瓶中，进行反应；反应结束后，将产物进行过滤，洗涤和干燥；
(3)H2还原RGO/Cu的纳米复合粉体：
将干燥好的RGO/Cu的纳米复合粉体的中间产物放于H2炉中，于一定温度下保温一段时间，得到最终产物RGO/Cu的纳米复合粉体。
3.根据权利要求2所述的RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述石墨烯的制备是取一定量的氧化石墨烯溶解于DMF溶液中配成氧化石墨烯溶液，氧化石墨烯的质量浓度范围为0.02％～0.05％，再将氧化石墨烯溶液转移至水热反应釜中，之后将水热反应釜置于烘箱中，在烘箱中保温温度在160℃～180℃之间，保温时间在10h～12h之间。
4.根据权利要求2所述的RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述加入RGO的量为所还原出的铜的质量的0.5％～1％。
5.根据权利要求2所述的RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述CuSO4的浓度为0.5g/L～1g/L。
6.根据权利要求2所述的RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述Vc溶液的滴加速度为每秒钟1～3滴。
7.根据权利要求2所述的RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述油浴锅的温度控制为80℃～120℃。
8.根据权利要求2所述的RGO/Cu纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述H2炉的温度控制为250℃～320℃，保温时间为2h～5h。
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