CN106517215A - 一种石墨烯包覆二氧化硅纳米微球颗粒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯完全包覆二氧化硅纳米颗粒的制备方法。以石墨粉为原料，首先采用改性的Hummers法制备具备含氧官能团的氧化石墨烯，并且通过水热法制备二氧化硅纳米颗粒，然后在含有二氧化硅的溶液中加入适量硅烷偶联剂，均匀搅拌，使硅烷偶联剂附着在二氧化硅颗粒的表面，形成表面改性的二氧化硅颗粒。将氧化石墨烯加入到改性过的二氧化硅溶液中，利用官能团的相互作用使氧化石墨烯完全包覆在二氧化硅颗粒的表面。最后在溶液中加入还原剂，将氧化石墨烯的含氧官能团进一步去除形成石墨烯，从而制备出石墨烯完全包覆二氧化硅的复合材料。该方法具有工艺简单、反应时间短、易于调控等优点，所制备的复合材料具有结构规整、孔隙率高、密度低、疏水性好等特点。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备领域，具体涉及一种石墨烯包覆二氧化硅纳米微球颗粒的制备方法。
背景技术
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯具备许多优异的结构和性质，比如超高的比表面积（2600 m2/g），大的电子迁移率2×105 m2/(V·s)等，且其电阻率只有106 Ω·cm，因此在涂层和能源材料等领域有广阔的应用前景。同时，石墨烯能够作为性能增强的基底材料与化合物进行包覆改性，可以形成性能优异的复合材料。
二氧化硅（SiO2）是目前材料研究的一个热点。它具有密度低（40~200 kg/m3）、比表面积高（400~1500 m2/g）、热导率低（0.02W/m/K）、介电系数低等特点，在高效绝缘绝热材料、隔音料、气体吸附和分离膜等方面有广阔的应用空间。尽管有极为广阔的应用，但二氧化硅纳米粒子之间容易团聚且不易分散，这极大地影响了它的使用效果。当前的研究主要是以二氧化硅纳米颗粒的改性为主。人们发现二氧化硅纳米粒子的表面包覆石墨烯材料，能够有效控制二氧化硅纳米粒子的团聚，并且在有机溶剂中表面包覆石墨烯的SiO2粒子能够有较好的分散性，从而产生近似单分散的有机硅/石墨烯溶胶。该溶胶可以应用于材料基体的增强，例如可提高二氧化硅基底涂层的导热性能，降低内应力和线性膨胀系数，极大地提升SiO2纳米粒子的应用性能。
目前石墨烯包覆SiO2纳米粒子的制备主要以物理包覆为主，石墨烯作为基底材料，将预先分散好的SiO2纳米颗粒掺到石墨烯中。公告号为 CN201510512345.X的专利公开了一种石墨烯/二氧化硅杂化气凝胶的制备方法，首先制备分散性良好的SiO2凝胶，然后将氧化石墨烯与SiO2水凝胶按照一定比例混合，最终在SiO2的表面包覆上石墨烯。但石墨烯是一种二维材料，常规的物理方法均存在着SiO2的表面包覆不完全、颗粒容易裸露出来的缺点，极大地影响了石墨烯/二氧化硅复合材料的性能提升。
发明内容
针对石墨烯常规包覆方法的不足，本发明目的在于：提供一种石墨烯包覆二氧化硅纳米微球颗粒的制备方法。通过添加硅烷偶联剂改善石墨烯包覆程度，以克服常规包覆不完全等缺点，将二氧化硅颗粒完全包裹，能够广泛应用在疏水或导热涂层领域。
本发明目的通过下述方案实现：
一种石墨烯包覆二氧化硅纳米微球颗粒的制备方法，包括如下步骤：
a、制备氧化石墨烯：以石墨粉为原料，采用改性的Hummers法制备氧化石墨烯；
b、制备二氧化硅微球：称取定量的硅源前驱物，添加至含有结构导向剂的水溶液中，并且用氨水溶液调节前驱物的水解环境，搅拌数小时后，用乙醇和去离子水洗，继而在550℃下烧结 3小时，得到球形SiO2纳米粉末；
c、二氧化硅微球的表面改性：称取1.0 g SiO2粉末加入至100 mL的去离子水中，形成SiO2的水溶液；向此溶液加入1.0~2.0 ml硅烷偶联剂，在保护气体气氛下搅拌迴流24小时，最终在SiO2的表面均匀形成一层硅烷偶联剂的包覆层；
d、称量预先制备的氧化石墨烯50 mg溶解于5 ml乙醇、5ml去离子水的混合溶剂中，超声后加入到改性后的SiO2水溶液中，室温下搅拌4小时，调整溶液的pH值在2~7之间，使氧化石墨烯包覆在SiO2的表面；
e、在溶液中滴入少量的还原剂溶液，将氧化石墨烯还原，以去除氧化石墨烯表面多余的含氧官能团，得到石墨烯包覆的SiO2材料；离心过滤，最终烘干，可得到黑色粉末状固体，即为石墨烯包覆的SiO2复合材料。
本发明原理是：首先在含有SiO2微球的溶液中添加含氨基硅烷偶联剂，利用硅烷偶联剂修饰SiO2球形粒子的表面，使SiO2球形粒子的表面带上一定的正电荷。然后在溶液中添加预先制备的氧化石墨烯（GO），由于氧化石墨烯含有大量的含氧官能团，这样带有相应的负电荷。调整溶液的pH值，带负电荷的氧化石墨烯与带正电荷的SiO2粒子进行自组装反应，氧化石墨烯将紧紧包裹在SiO2球形粒子的表面，形成表面包覆良好的GO@SiO2复合材料。最后通过水合肼等还原剂的还原，最终得到石墨烯包覆良好的复合材料。
在上述方案基础上，所述的硅烷偶联剂为含氨基硅烷偶联剂，包括γ-氨丙基三乙氧基硅烷，苯氨基甲基三乙氧基硅烷，γ-（β-氨乙基）氨丙基甲基二甲氧基硅烷，多氨基烷基三烷氧基硅烷。
所述的保护气体气氛为氮气，氩气，氦气。
所述的结构导向剂为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、十六烷基三甲基氯化铵。
所述的前驱体为正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、水玻璃或者甲基三甲氧基硅烷。
所述的控制溶液的pH值为2~7。
所述的还原性溶液为水合肼、硼氢化钠、甲醛。
本发明提出了一种石墨烯完全包覆SiO2纳米粒子的制备方法。该方法具有工艺简单、反应时间短、易于调控等优点，所制备的复合材料具有结构规整、孔隙率高、密度低、疏水性好等特点。本发明是将硅烷偶联剂加入到二氧化硅和氧化石墨烯的水溶液中，实现二氧化硅与石墨烯材料的自组装，从而形成包覆良好的Graphene@SiO2复合材料。
本发明采用的硅源前驱体水解过程都较为简单，最后能得到的SiO2微球其表面都含有亲水的羟基，有利于在水溶液中的分散。随着氨基硅烷偶联剂的加入，SiO2微球的表面羟基与硅烷偶联剂发生酯交换反应，形成带有氨基的二氧化硅纳米颗粒，即以二氧化硅为核表面包覆氨基的核壳结构微球。通过进一步调整溶液的pH值，带正电荷的SiO2微球将与带负电荷的氧化石墨烯发生自组装反应，氨基将与氧化石墨烯的羧基和含氧官能团形成酰胺键，从而获得共价结合的GO/SiO2复合材料。去除多余的含氧官能团，最终可以得到石墨烯包覆良好的Graphene@SiO2复合材料。
附图说明
图1为本发明实施例1合成的SiO2纳米微球的SEM图。
图2为本发明实施例1合成的石墨烯包覆SiO2复合材料的SEM图。
图3为本发明实施例2合成的石墨烯包覆SiO2复合材料的SEM图。
具体实施方式
本发明下面通过具体实例进行详细的描述，但本发明的保护范围不受限于这些实施例子。
实施例1：
（1）氧化石墨烯的制备：以市售的石墨粉为原料，采用改性的Hummers法制备氧化石墨烯。 首先将NaNO3加入到浓硫酸中，待完全溶解后加入石墨粉和高锰酸钾，进一步反应后得到亮黄色体系，过滤干燥之后获得氧化石墨；再通过管式炉，经过热膨胀制备出氧化石墨烯粉末。
（2）SiO2纳米微球的制备：在60 ml 无水乙醇中加入0.5 g十六烷基三甲基溴化铵，搅拌30 min，再缓慢加入3.0 ml 正硅酸四乙酯，1.0 ml氨水和10 ml去离子水，搅拌4小时后，用乙醇和去离子水洗三遍后置于70 oC烘箱中烘干，然后置于马弗炉中550 oC烧结 3小时，即得到SiO2微球粉末。
（3）Graphene@SiO2复合材料的制备：首先称取1.0 g 预先制备的SiO2粉末加入至100 ml的去离子水中，搅拌下形成SiO2的水溶液；在N2气的保护下向SiO2溶液中加入1.0 mlγ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550），搅拌迴流24小时；紧接着称取50 mg预先制备的氧化石墨烯溶解于5 ml乙醇、5ml去离子水的混合溶剂中，超声10 min后加入到改性后的SiO2溶液中，调整溶液的pH值为5，室温下搅拌4小时；最后在溶液中滴入1.0 ml水合肼溶液，获得石墨烯包覆的SiO2材料；离心过滤，60 oC下烘干，可得到黑色粉末状固体，此即为石墨烯包覆的SiO2复合材料；
实施例2：
（1）氧化石墨烯的制备方法同实施例1中的步骤（1）；
（2）SiO2纳米微球的制备方法同实施例1中的步骤（2）；
（3）Graphene@SiO2复合材料的制备：实施方法同实施例1中的步骤（3），与实施例1的区别在于添加的硅烷偶联剂不同，本实施例采用的硅烷偶联剂为3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷（KH-662），仍旧得到石墨烯包覆完整的SiO2复合材料。图3为石墨烯包覆的SiO2复合材料的扫描电镜图，石墨烯包覆在SiO2纳米微球的表面，包覆程度依然较好。
实施例3：
（1）氧化石墨烯的制备方法同实施例1中的步骤（1）；
（2）SiO2纳米微球的制备方法同实施例1中的步骤（2）；
（3）Graphene@SiO2复合材料的制备：实施方法同实施例1中的步骤（3），与实施例1的区别在于氧化石墨烯包覆时的pH值不同，本实施例使用氧化石墨烯包覆时候的pH值控制为3，仍旧可以得到石墨烯包覆完整的SiO2复合材料。这表明在酸性条件下，石墨烯仍旧能够包覆在SiO2纳米微球的表面，包覆程度良好。
Claims (7)
1.一种石墨烯包覆二氧化硅纳米微球颗粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、制备氧化石墨烯：以石墨粉为原料，采用改性的Hummers法制备氧化石墨烯；
b、制备二氧化硅微球：称取定量的硅源前驱物，添加至含有结构导向剂的水溶液中，并且用氨水溶液调节前驱物的水解环境，搅拌数小时后，用乙醇和去离子水洗，继而在550℃下烧结 3小时，得到球形SiO2纳米粉末；
c、二氧化硅微球的表面改性：称取1.0 g SiO2粉末加入至100 mL的去离子水中，形成SiO2的水溶液；向此溶液加入1.0~2.0 ml硅烷偶联剂，在保护气体气氛下搅拌迴流24小时，最终在SiO2的表面均匀形成一层硅烷偶联剂的包覆层；
d、称量预先制备的氧化石墨烯50 mg溶解于5 ml乙醇、5ml去离子水的混合溶剂中，超声后加入到改性后的SiO2水溶液中，室温下搅拌4小时，调整溶液的pH值在2~7之间，使氧化石墨烯包覆在SiO2的表面；
e、在溶液中滴入少量的还原剂溶液，将氧化石墨烯还原，以去除氧化石墨烯表面多余的含氧官能团，得到石墨烯包覆的SiO2材料；离心过滤，最终烘干，可得到黑色粉末状固体，即为石墨烯包覆的SiO2复合材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯完全包覆SiO2纳米粒子的制备方法，其特征在于所述的硅烷偶联剂为含氨基硅烷偶联剂，包括γ-氨丙基三乙氧基硅烷，苯氨基甲基三乙氧基硅烷，γ-（β-氨乙基）氨丙基甲基二甲氧基硅烷，多氨基烷基三烷氧基硅烷。
3.根据权利要求1所述的石墨烯完全包覆SiO2纳米粒子的制备方法，其特征在于所述的保护气体气氛为氮气，氩气，氦气。
4.根据权利要求1所述一种石墨烯包覆二氧化硅纳米微球颗粒的制备方法，其特征在于所述的结构导向剂为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、十六烷基三甲基氯化铵。
5.根据权利要求1所述一种石墨烯包覆二氧化硅纳米微球颗粒的制备方法，其特征在于所述的前驱体为正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、水玻璃或者甲基三甲氧基硅烷。
6.根据权利要求1所述一种石墨烯包覆二氧化硅纳米微球颗粒的制备方法，其特征在于所述的控制溶液的pH值为2~7。
7.根据权利要求1所述一种石墨烯包覆二氧化硅纳米微球颗粒的制备方法，其特征在于所述的还原性溶液为水合肼、硼氢化钠、甲醛。
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