CN106744837A - 一种钯催化氩氢混合气体还原氧化石墨烯的方法 - Google Patents

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刘婷
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Abstract

一种钯催化氩氢混合气体还原氧化石墨烯的方法，首先，将氧化石墨烯分散于水和聚乙二醇混合液中，超声搅拌，得到均匀分散液；然后，将四氯钯酸钠加入分散液，再加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌，并在低温下下回流，等混合液回流液冷却后，将其冷冻干燥，得到纳米钯分散的石墨烯粉末；最后，将上述石墨烯粉末在低温下的氩氢混合气体中还原，得到还原的氧化石墨烯，将钯作为催化剂，在低温下通过氩氢混合气体还原氧化石墨烯,得到高质量的还原氧化石墨烯，具有操作简单、还原温度低、成本低廉、环保无污染的特点。

Description

一种钯催化氩氢混合气体还原氧化石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及氧化石墨烯还原技术领域，特别涉及一种钯催化氩氢混合气体还原氧化石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯是一种二维层状材料，由炭原子通过SP2杂化形成单层结构。因其具有良好的物理性能(高导电性、高导热性和高透光性)、机械性能和高比表面积，被广泛应用于能量转换器件、催化和半导体行业等。考虑到经济成本和广泛生产性，石墨被氧化，随后被还原是一种主要的石墨烯制备方法。具体来讲，石墨首先被KMnO4和强酸强化解离成薄片层结构---氧化石墨烯(GO)，随后GO被还原剂还原成还原氧化石墨烯(rGO)。
目前GO的还原方法很多，有电还原，化学还原和高温热还原。化学还原是使用各种还原剂，如：水合肼、硼氢酸钠、有机胺、抗坏血酸、醇类和质子给体等。高温还原的反应条件一般都高于500℃,最高在1050℃，它的还原原理主要是通过高温条件下产生CO2气体还原。高温还原必须消耗大量的热能，不利于降低生产成本，并且不利于环保。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种钯催化氩氢混合气体还原氧化石墨烯的方法，将钯(Pd)作为催化剂，在低温下通过氩氢混合气体还原GO,得到高质量的rGO，具有操作简单、还原温度低、成本低廉、环保无污染的特点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种钯催化氩氢混合气体还原氧化石墨烯的方法，步骤如下：
步骤1：氧化石墨烯(GO)分散于水和聚乙二醇混合液中，聚乙二醇与水的体积比为0.9：1-0.1:1，氧化石墨烯与聚乙二醇的质量比为1:1-1:10000，超声搅拌1-6h，得到均匀分散液；
步骤2：将四氯钯酸钠加入分散液，再加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，四氯钯酸钠:分散液：聚乙烯吡咯烷酮的质量比为0.1:20：5—0.1:200:50,搅拌，并在110-160℃下回流2-6h；
步骤3：等上述步骤2的混合回流液冷却后，将其冷冻干燥20-72h，得到纳米钯分散的石墨烯粉末；
步骤4：将上述石墨烯粉末在150-300℃温度条件下的氩氢混合气体中还原1-6h，得到还原的氧化石墨烯(rGO)。
所述氩氢混合气体为：Ar和H2任意体积比的混合气或H2气氛。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
本发明能显著降低热还原温度，反应条件从上千度降到室温，还原过程是低能耗过程，且不引入其它杂质原子，保证还原后产物的纯净。本发明制备方法具有可重复性强、对环境无污染的特点，利用本方法制备的石墨烯可以显著降低生产成本，并且能规模化生产高质量的石墨烯。
附图说明
图1为实施例1-4中制备的石墨烯的X射线衍射图。其中，横坐标是角度；纵坐标是相对强度。
图2为实施例1-4中制备的石墨烯的X射线吸收光谱图。
图3为实施例1-4中制备的石墨烯的透射电镜图。
图4为实施例1-4中制备的石墨烯的高分辨透射电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
步骤1：取0.01g氧化石墨烯(GO)分散于50ml水和20ml聚乙二醇混合液中，搅拌超声1h，得到均匀分散液；
步骤2：将0.01g四氯钯酸钠加入分散液搅拌，再加入0.010g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),接续搅拌，并在150℃下回流2h；
步骤3：等上述步骤2的混合液回流液冷却后，将其冷冻干燥20h，得到纳米钯分散的石墨烯粉末；
步骤4：将上述石墨烯粉末在150℃的体积比95％氩气与体积比5％氢气的混合气体中还原2h，得到还原的氧化石墨烯(rGO)。
实施例2：
步骤1：取0.30g氧化石墨烯(GO)分散于150ml水和20ml聚乙二醇混合液中，搅拌超声2h，得到均匀分散液；
步骤2：将0.30g四氯钯酸钠加入分散液搅拌，再加入0.300g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),接续搅拌，并在110℃下回流4h；
步骤3：等上述步骤2的混合液回流液冷却后，将其冷冻干燥30h，得到纳米钯分散的石墨烯粉末；
步骤4：将上述石墨烯粉末在200℃的体积比80％氩气与体积比20％氢气的混合气体中还原3h，得到还原的氧化石墨烯(rGO)。
实施例3：
步骤1：取1.00g氧化石墨烯(GO)分散于100ml水和20ml聚乙二醇混合液中，搅拌超声2h，得到均匀分散液；
步骤2：将0.50g四氯钯酸钠加入分散液搅拌，再加入0.013g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),接续搅拌，并在160℃下回流2h；
步骤3：等上述步骤2的混合液回流液冷却后，将其冷冻干燥40h，得到纳米钯分散的石墨烯粉末；
步骤4：将上述石墨烯粉末在300℃的体积比50％氩气与体积比50％氢气的混合气体中还原2h，得到还原的氧化石墨烯(rGO)。
实施例4：
步骤1：取10.00g氧化石墨烯(GO)分散于200ml水和20ml聚乙二醇混合液中，搅拌超声6h，得到均匀分散液；
步骤2：将0.01g四氯钯酸钠加入分散液搅拌，再加入5.000g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),接续搅拌，并在120℃下回流6h；
步骤3：等上述步骤2的混合液回流液冷却后，将其冷冻干燥72h，得到纳米钯分散的石墨烯粉末；
步骤4：将上述石墨烯粉末在270℃的体积比5％氩气与体积比95％氢气的混合气体中还原3h，得到还原的氧化石墨烯(rGO)。
参见附图，图1为实施例1-4中制备的还原石墨烯的X射线衍射图。从图1中看出，氧化石墨烯的特征峰在10o左右，而还原氧化石墨烯的特征峰在24o左右，可得出结论：氧化石墨烯被成功还原。
图2为实施例1-4中制备的石墨烯的X射线吸收光谱图。从图中可以看出还原后的石墨烯由大量碳和少量氧组成，证明氧化石墨烯被还原。
图3为实施例1-4中制备的石墨烯的透射电镜图。其中可以清楚看到薄层结构的还原氧化石墨烯(rGO)。
图4为实施例1中制备的石墨烯的高分辨透射电镜图，黑点为钯纳米颗粒，其中插图为选区电子衍射图，它是石墨烯的特征衍射图，证明了还原后的物质为石墨烯(rGO)。

Claims (6)

1.一种钯催化氩氢混合气体还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：氧化石墨烯分散于水和聚乙二醇混合液中，聚乙二醇与水的体积比为0.9：1-0.1:1，氧化石墨烯与聚乙二醇的质量比为1:1-1:10000，超声搅拌1-6h，得到均匀分散液；
步骤2：将四氯钯酸钠加入分散液，再加入聚乙烯吡咯烷酮，四氯钯酸钠:分散液：聚乙烯吡咯烷酮的质量比为0.1:20：5—0.1:200:50,搅拌，并在110-160℃下回流2-6h；
步骤3：等上述步骤2的混合液回流液冷却后，将其冷冻干燥20-72h，得到纳米钯分散的石墨烯粉末；
步骤4：将上述石墨烯粉末在150-300℃温度条件下的氩氢混合气体中还原1-6h，得到还原的氧化石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种钯催化氩氢混合气体还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述氩氢混合气体为：Ar和H2任意体积比的混合气或H2气氛。
3.根据权利要求1或2所述的一种钯催化氩氢混合气体还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：取0.01g氧化石墨烯分散于50ml水和20ml聚乙二醇混合液中，搅拌超声1h，得到均匀分散液；
步骤2：将0.01g四氯钯酸钠加入分散液搅拌，再加入0.010g聚乙烯吡咯烷酮,接续搅拌，并在150℃下回流2h；
步骤3：等上述步骤2的混合液回流液冷却后，将其冷冻干燥20h，得到纳米钯分散的石墨烯粉末；
步骤4：将上述石墨烯粉末在150℃的体积比95％氩气与体积比5％氢气的混合气体中还原2h，得到还原的氧化石墨烯。
4.根据权利要求1或2所述的一种钯催化氩氢混合气体还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：取0.30g氧化石墨烯分散于150ml水和20ml聚乙二醇混合液中，搅拌超声2h，得到均匀分散液；
步骤2：将0.30g四氯钯酸钠加入分散液搅拌，再加入0.300g聚乙烯吡咯烷酮,接续搅拌，并在110℃下回流4h；
步骤3：等上述步骤2的混合液回流液冷却后，将其冷冻干燥30h，得到纳米钯分散的石墨烯粉末；
步骤4：将上述石墨烯粉末在200℃的体积比80％氩气与体积比20％氢气的混合气体中还原3h，得到还原的氧化石墨烯。
5.根据权利要求1或2所述的一种钯催化氩氢混合气体还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：取1.00g氧化石墨烯分散于100ml水和20ml聚乙二醇混合液中，搅拌超声2h，得到均匀分散液；
步骤2：将0.50g四氯钯酸钠加入分散液搅拌，再加入0.013g聚乙烯吡咯烷酮,接续搅拌，并在160℃下回流2h；
步骤3：等上述步骤2的混合液回流液冷却后，将其冷冻干燥40h，得到纳米钯分散的石墨烯粉末；
步骤4：将上述石墨烯粉末在300℃的体积比50％氩气与体积比50％氢气的混合气体中还原2h，得到还原的氧化石墨烯。
6.根据权利要求1或2所述的一种钯催化氩氢混合气体还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：取10.00g氧化石墨烯分散于200ml水和20ml聚乙二醇混合液中，搅拌超声6h，得到均匀分散液；
步骤2：将0.01g四氯钯酸钠加入分散液搅拌，再加入5.000g聚乙烯吡咯烷酮,接续搅拌，并在120℃下回流6h；
步骤3：等上述步骤2的混合液回流液冷却后，将其冷冻干燥72h，得到纳米钯分散的石墨烯粉末；
步骤4：将上述石墨烯粉末在270℃的体积比5％氩气与体积比95％氢气的混合气体中还原3h，得到还原的氧化石墨烯。
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