CN107253701A - 一种超薄二维纳米材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于轻质高强纳米材料制备技术领域,涉及一种超薄二维纳米材料的制备方法。该方法采用简单的液相纳米材料合成方法,采用方便得到的金属盐及缓冲溶液等为原料,制备得到了多种超薄二维金属氧化物纳米材料。具体方法是(1)室温下配制目标pH的缓冲溶液,加入适量的金属盐及氧化石墨烯,剧烈搅拌至均匀分散,形成透明溶液;(2)将该混合溶液加热至60‑70℃,搅拌条件下反应2‑4小时,自然降温并离心洗涤,冷冻干燥得到粉末状产物;(3)将该粉末状产物至于马弗炉中,空气气氛下,500‑650℃煅烧2h,最终得到超薄二维纳米材料。
Description
技术领域
本发明涉及轻质高强纳米材料制备技术领域,特别涉及一种超薄二维纳米材料的制备方法。
背景技术
随着现代社会的发展,特别是航空航天领域的飞速进步,对于材料的要求越来越高。如何在提高材料强度的同时降低材料的重量,是节约成本、提高生产效率的关键所在,同时也是材料领域研究的重点。
目前,轻质高强材料研究的重点主要体现在多孔材料、复合材料以及纳米材料领域。纳米材料以其独特的小尺寸效应,几乎没有缺陷及位错等现象,在材料强度提升方面具有独特的优势,而成为研究的重点。纳米材料中,又以二维纳米材料具有高比表面积、高表面内部原子比、方便组装为宏观材料等特性,成为了轻质高强纳米材料中的佼佼者。但是,目前常用的二维纳米材料制备方法包括CVD、水热/溶剂热等方法,制备工艺非常繁琐、昂贵及耗能,非常不利于二维纳米材料的推广应用。
金属氧化物包括轻金属氧化物(氧化镁、氧化铝等)、过渡金属氧化物(氧化钛、氧化锆等)、主族金属氧化物(氧化锡、氧化锑等)在轻质高强材料领域有重要的应用,以氧化铝为例,是除了金刚石最硬的材料。如何将该类型的不具有原始层状结构的金属氧化物简单的制备成为超薄二维纳米材料,是材料研究领域面临的极大挑战。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,利用简单的液相反应法,采用方便得到的金属盐及缓冲溶液等为原料,提供一种操作简单、绿色环保的超薄二维纳米材料的制备方法。其包括如下步骤:
第一步,配制具有所需pH值的标准缓冲溶液,经搅拌、超声后得到混合均匀的无色透明溶液;
第二步,取第一步中得到的无色透明溶液,加入适量氧化石墨烯,在室温下搅拌均匀,得到棕黄色透明溶液,所述氧化石墨烯在溶液中的质量浓度范围为0.05-2g/L;
第三步,取适量金属盐加入第二步得到的棕黄色透明溶液,室温下搅拌均匀,得到棕黄色透明溶液,所述金属盐在溶液中的摩尔浓度范围为0.002-0.2mol/L;
第四步,将第三步中得到的棕黄色透明溶液加热至40-90℃,持续搅拌一段时间后,待溶液降为室温,离心洗涤,得到棕黄色/黑色沉淀;
第五步,将第四步中得到的棕黄色/黑色沉淀转移入冷冻干燥机中,干燥24-48h,得到棕黄色/黑色粉末;
第六步,将第五步中得到的干燥的棕黄色/黑色沉淀转移入马弗炉中,空气环境下,500-650 ℃煅烧1-3h,得到超薄二维纳米材料粉末。
在本发明中,如果没有特别地说明,所采用的溶液都是在常规条件下制备的,比如在室温下将物质溶解在水溶液中制备得到的。
在本发明中,如果没有特别地说明,所采用的装置、仪器、设备、材料、工艺、方法、步骤、制备条件等都是本领域常规采用的或者本领域普通技术人员按照本领域常规采用的技术可以容易地获得的。
在本发明中,所述缓冲溶液是纯水体系或醇/水体系,包括弱酸及其盐、弱碱及其盐组成的混合溶液,优选甲酸-甲酸铵体系、甘氨酸-盐酸体系、甘氨酸-氢氧化钠、三羟甲基氨基甲烷-盐酸等,其中的醇/水体系为乙二醇和水体系,乙二醇和水的体积比范围为3:1至10:1,优选5:1至9:1,但不仅局限于此。
在本发明中,所述氧化石墨烯主要是通过Hummers法合成,制备方法可参见J.Am.Chem. Soc.,1958,80,1339,所述氧化石墨烯的厚度为1nm以下,但不仅局限于此。
在本发明中,所述的金属包括轻金属、过渡金属和主族金属,轻金属包括镁、铝等,过渡金属包括钛、锆等、主族金属包括锡、锑等,可用的金属盐主要是卤素盐、硫酸盐,如硫酸镁、氯氧锆、硫酸铝、氯化钛、氯化锡、氯化锑等,但不仅局限于此。
所述室温是指温度范围在20℃-35℃。进一步的,第一步中得到的无色透明溶液为50-500 ml,第二步中取用的无色透明溶液为5-50ml。
进一步的,制备得到的二维超薄纳米材料的尺寸为1-20μm,厚度为1-11nm。
进一步的,甲酸-甲酸铵缓冲溶液的pH范围是2.5-5,优选3.8-4.6,甘氨酸-盐酸缓冲溶液的pH范围是1-4,优选1.6-3.2,甘氨酸-氢氧化钠缓冲溶液的pH范围是8.5-11,优选9.6-10.6,三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液的pH范围是6.5-9,优选7-8。
进一步的,第一步、第二步和第三步中的所述搅拌时间为10-30min;第一步中的所述超声时间为10-30min;第四步中的所述加热温度优选60-80℃,搅拌时间2-4h。
进一步的,制备得到的二维超薄纳米材料的尺寸为1-20μm,厚度为1-11nm。
进一步的,第二步中所述氧化石墨烯在溶液中的质量浓度范围优选0.1-1.5g/L,第三步中所述金属盐在溶液中的摩尔浓度范围优选0.008-0.1mol/L。
如果金属盐的摩尔浓度过低,如低于0.002mol/L,会生成吸附在氧化石墨烯表面的氧化物颗粒;如果金属盐的摩尔浓度过高,如高于0.2mol/L,会生成单独存在的氧化物颗粒,影响超薄材料的制备。
如果缓冲溶液的pH低于优选范围的最低值,例如对于甲酸-甲酸铵缓冲体系低于3.8,由于浓度积小于溶度积,将不会有二维纳米片生成;如果缓冲溶液的pH高于优选范围的最高值,例如对于甲酸-甲酸铵缓冲体系高于4.6,由于水解速度过快,将形成单独纯在的氧化物纳米颗粒,而无法形成不同二维纳米片,影响超薄材料的制备。
进一步的,该方法制备得到的超薄二维纳米材料具有良好的力学性能,其抗弯强度可以达到17-73GPa,杨氏模量可以达到150-400GPa。
相对于现有的超薄二维纳米材料的制备,本发明具有如下优点:
1,本发明制备过程中采用的原料简单易得、成本较低,且对环境没有污染、工艺简单、操作简便;
2,本发明制备得到的超薄二维纳米材料具有厚度可控、形貌均匀、力学性能优良等特点;
3,本发明具有普适性,可以实现多种金属氧化物的超薄二维纳米材料的可控制备,包括轻金属氧化物,过渡金属氧化物及主族金属氧化物等。
附图说明
图1为本发明液相反应示意图;
图2为本发明实施例1得到的超薄氧化铝二维纳米材料的扫描电子显微镜照片和透射电子显微镜照片;
图3为本发明实施例1得到的超薄氧化铝二维纳米材料的力学测试结果;
图4为本发明实施例2得到的超薄氧化锆二维纳米材料的扫描电子显微镜照片和透射电子显微镜照片;
图5为本发明实施例2得到的超薄氧化锆二维纳米材料的力学测试结果;
图6为本发明实施例3得到的超薄氧化锡二维纳米材料的扫描电子显微镜照片和透射电子显微镜照片;
图7为本发明实施例3得到的超薄氧化锡二维纳米材料的力学测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来具体说明超薄二维纳米材料的制备方法。但应当理解,这些实施例仅仅用于阐述本发明,而并不以任何方式限制本发明的保护范围。
实施例1
超薄二维氧化铝(轻金属氧化物)纳米片的制备方法
第一步,室温下取1.26g甲酸铵,76μL的甲酸,加入100mL去离子水中,配制pH为4.5的甲酸-甲酸铵标准缓冲溶液(纯水体系),搅拌15min,超声10min,得到100ml混合均匀的无色透明溶液;
第二步,取50ml第一步中得到的溶液,加入7mg氧化石墨烯,在室温下搅拌15min,得到棕黄色透明溶液;
第三步,取0.l5mmol十八水合硫酸铝加入第二步得到的棕黄色透明溶液,室温下搅拌 15min,得到棕黄色透明溶液(图1);
第四步,将第三步中得到的棕黄色透明溶液加热至70℃,持续搅拌2h,待溶液降为室温,离心洗涤,得到棕黄色沉淀;
第五步,将第四步中得到的棕黄色沉淀转移入冷冻干燥机中,干燥24h,得到棕黄色粉末;
第六步,将第五步中得到的干燥的棕黄色粉末转移入马弗炉中,空气环境下,650℃煅烧2h,得到白色超薄二维氧化铝纳米材料(图2),该二维纳米材料具有优异的力学性能,其抗弯强度约为73GPa,杨氏模量约为400GPa(图3)。
实施例2
超薄氧化锆(过渡金属氧化物)纳米片的制备方法
第一步,室温下取0.605g三羟甲基氨基甲烷,0.33ml浓盐酸,加入100mL去离子水中,配制pH为7.5的三羟甲基氨基甲烷-盐酸标准缓冲溶液(纯水体系),搅拌15min,超声10min,得到100ml混合均匀的无色透明溶液;
第二步,取50ml第一步中得到的溶液,加入5mg氧化石墨烯,在室温下搅拌15min,得到棕黄色透明溶液;
第三步,取0.l mmol八水合氧氯化锆加入第二步得到的棕黄色透明溶液,室温下搅拌15 min,得到棕黄色透明溶液;
第四步,将第三步中得到的棕黄色透明溶液加热至60℃,持续搅拌3h,待溶液降为室温,离心洗涤,得到棕黄色沉淀;
第五步,将第四步中得到的棕黄色沉淀转移入冷冻干燥机中,干燥24h,得到棕黄色粉末;
第六步,将第五步中得到的干燥的棕黄色粉末转移入马弗炉中,空气环境下,650℃煅烧2h,得到白色超薄二维氧化锆纳米材料(图4)。该二维纳米材料具有良好的力学性能,其抗弯强度约为49GPa,杨氏模量约为280GPa(图5)。
实施例3
超薄氧化锡(主族金属氧化物)纳米片的制备方法
第一步,室温下取0.188g甘氨酸,183μL浓盐酸,加入由90mL乙二醇和10mL去离子水组成的混合液体中,配制pH为2.2的甘氨酸-盐酸缓冲溶液(醇/水体系),搅拌15min,超声10min,得到100ml混合均匀的无色透明溶液;
第二步,取6ml第一步中得到的溶液,加入44ml水及5mg氧化石墨烯,在室温下搅拌15min,得到棕黄色透明溶液;
第三步,取0.25mol五水合氯化锡加入第二步得到的棕黄色透明溶液,室温下搅拌15 min,得到棕黄色透明溶液;
第四步,将第三步中得到的棕黄色透明溶液加热至70℃,持续搅拌4h,待溶液降为室温,离心洗涤,得到棕黄色沉淀;
第五步,将第四步中得到的棕黄色沉淀转移入冷冻干燥机中,干燥24h,得到棕黄色粉末;
第六步,将第五步中得到的干燥的棕黄色粉末转移入马弗炉中,空气环境下,650℃煅烧2h,得到白色超薄二维氧化锡纳米材料(图6)。该二维纳米材料具有良好的力学性能,其抗弯强度约为17GPa,杨氏模量约为150GPa(图7)。
Claims (10)
1.一种超薄二维纳米材料的制备方法,其特征在于包括下列步骤:
第一步,配制具有所需pH值的标准缓冲溶液,经搅拌、超声后得到混合均匀的无色透明溶液;
第二步,取第一步中得到的无色透明溶液,加入适量氧化石墨烯,在室温下搅拌均匀,得到棕黄色透明溶液,所述氧化石墨烯在溶液中的质量浓度范围为0.05-2g/L;
第三步,取适量金属盐加入第二步得到的棕黄色透明溶液,室温下搅拌均匀,得到棕黄色透明溶液,所述金属盐在溶液中的摩尔浓度范围为0.002-0.2mol/L;
第四步,将第三步中得到的棕黄色透明溶液加热至40-90℃,持续搅拌一段时间后,待溶液降为室温,离心洗涤,得到棕黄色/黑色沉淀;
第五步,将第四步中得到的棕黄色/黑色沉淀转移入冷冻干燥机中,干燥24-48h,得到棕黄色/黑色粉末;
第六步,将第五步中得到的干燥的棕黄色/黑色沉淀转移入马弗炉中,空气环境下,500-650℃煅烧1-3h,得到超薄二维纳米材料粉末。
2.根据权利要求书1所述的一种超薄二维纳米材料的制备方法,其特征在于:所述标准缓冲溶液是纯水体系或醇/水体系,包括弱酸及其盐、弱碱及其盐组成的混合溶液,优选甲酸-甲酸铵体系、甘氨酸-盐酸体系、甘氨酸-氢氧化钠、三羟甲基氨基甲烷-盐酸等。
3.根据权利要求书1所述的一种超薄二维纳米材料的制备方法,其特征在于:所述氧化石墨烯的厚度为1nm以下,制备得到的超薄二维纳米材料的尺寸为1-20μm,厚度为1-11nm。
4.根据权利要求书2所述的一种超薄二维纳米材料的制备方法,其特征在于:所述醇/水体系为乙二醇和水体系,且乙二醇和水的体积比范围为3:1至10:1,优选5:1至9:1。
5.根据权利要求书1所述的一种超薄二维纳米材料的制备方法,其特征在于:制备得到的超薄二维纳米材料的抗弯强度达到17-73GPa,杨氏模量达到150-400GPa。
6.根据权利要求书1所述的一种超薄二维纳米材料的制备方法,其特征在于:所述金属包括轻金属、过渡金属和主族金属,轻金属包括镁、铝,过渡金属包括钛、锆、主族金属包括锡、锑。
7.根据权利要求书1所述的一种超薄二维纳米材料的制备方法,其特征在于:所述金属盐包括卤素盐、硫酸盐,优选硫酸镁、氯氧锆、硫酸铝、氯化钛、氯化锡、氯化锑。
8.根据权利要求书2所述的一种超薄二维纳米材料的制备方法,其特征在于:所述标准缓冲溶液具有一定的pH范围,甲酸-甲酸铵缓冲溶液的pH范围是2.5-5,优选3.8-4.6,甘氨酸-盐酸缓冲溶液的pH范围是1-4,优选1.6-3.2,甘氨酸-氢氧化钠缓冲溶液的pH范围是8.5-11,优选9.6-10.6,三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液的pH范围是6.5-9,优选7-8。
9.根据权利要求书1所述的一种超薄二维纳米材料的制备方法,其特征在于:所述氧化石墨烯在溶液中的质量浓度范围为0.1-1.5g/L,第三步中所述金属盐在溶液中的摩尔浓度范围为0.005-0.15mol/L。
10.根据权利要求书1所述的一种超薄二维纳米材料的制备方法,其特征在于:第一步、第二步和第三步中的所述搅拌时间为10-30min;第一步中的所述超声时间为10-30min;第四步中的所述加热温度优选60-80℃,搅拌时间2-4h。
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GR01 | Patent grant | ||
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