CN107644744B - 一种制备花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍材料的方法 - Google Patents

一种制备花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种制备花状铜纳米簇‑石墨烯‑泡沫镍复合材料的方法，主要包括以下工艺步骤：1.用化学气相沉积法(CVD)在泡沫镍基体上生长一层石墨烯，制备出石墨烯‑泡沫镍基体，2.将上述石墨烯‑泡沫镍基体材料直接浸入硫酸铜和L‑精氨酸的混合溶液中，让其反应3‑6h即得到花状铜纳米簇‑石墨烯‑泡沫镍复合材料。所制备的花状铜纳米簇由于其具有特殊的花形结构，大大增加了铜粒子的比表面积，使其在一些特殊领域，如气体传感，有广阔的应用前景。

Description

一种制备花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍材料的方法
技术领域
本发明提供了一种新型的、非常简易地制备花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍复合材料的方法，属于材料化学制备技术领域。
背景技术
铜纳米粒子由于其具有良好的电学性能、化学性能、催化性能、传感性能等被广泛研究，石墨烯由于其高的比表面积、高的导电性和优异的化学稳定性成为负载铜纳米粒子的理想载体。利用两者的协同效应使得复合材料具有优异的催化、电化学传感和气体传感等性能。目前铜纳米粒子-石墨烯复合材料的制备主要集中于利用还原氧化石墨烯和铜纳米粒子的复合，但是化学法制备的还原氧化石墨烯-铜纳米粒子复合材料大多是以溶液、粉末、气凝胶的形式存在，回收再利用工艺复杂。而且其导电性、机械性能也不如CVD法制备的石墨烯。
众所周知，铜纳米粒子的尺寸、形态、分布都会对该复合材料的性能产生较大的影响。球形等形态由于其本身的比表面积有限，我们制备出的花状铜纳米簇极大的增加了纳米粒子的比表面积，使复合材料在传感、催化领域展现优异的性能。而且本方法一步成形，直接将CVD法制备的石墨烯-泡沫镍浸入CuSO4和L-精氨酸混合溶液中进行反应，制备出新型的花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍复合材料，工艺简单,成本低，重复性强，绿色环保，复合产物均匀稳定。所制备的花状铜纳米簇均匀分布在三维骨架石墨烯表面不易团聚,充分利用石墨烯、铜纳米粒子各自优异的电学、催化和传感等性能的协同效应，所制备的复合材料反应活性位点多、比表面积大、生物相容性好、导电性好，在催化、气体传感、环境监测等领域具有广泛的应用前景。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种制备花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍材料的方法，该方法直接将覆盖上石墨烯的泡沫镍浸入L-精氨酸和硫酸铜的混合溶液中进行反应，制备出尺寸和分布都均匀的花状铜纳米簇。本方法没有复杂的工艺步骤和各种化学试剂的使用，直接一步成形，成本低、操作简单易行、效率高、可以稳定大量制备。
技术方案：本发明所述的一种制备花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍复合材料的方法包括以下步骤：
a.泡沫镍的清洗：将泡沫镍分别用丙酮、乙醇、去离子水各清洗，以去除表面氧化物层，再用N2吹干；
b.泡沫镍的热处理：将清洗后的泡沫镍放入加热炉石英管内抽真空，排除管内的空气，通入Ar和H2，升温至900℃-1000℃，并在此温度下退火；
c.制备石墨烯-泡沫镍：通入CH4和H2生长石墨烯，生长后断开CH4，并快速降温，等加热炉冷却到室温后取出样品，得到覆盖上石墨烯的泡沫镍材料；
d.硫酸铜-精氨酸混合溶液的配制：分别配制L-精氨酸溶液和硫酸铜溶液，再将上述配制的L-精氨酸溶液逐滴加入硫酸铜溶液进行均匀混合；
e.花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍的制备：将制备的石墨烯-泡沫镍浸入上述硫酸铜-精氨酸混合溶液中反应，就得到花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍复合材料。
其中：
步骤b中，通入Ar流量为100-150sccm，通入H2流量为20-50sccm。
步骤b中，升温速度为15℃-20℃/min。
步骤c中，通入CH4流量为10-15sccm，通入H2流量为50-100sccm。
步骤d中，配制的L-精氨酸溶液的浓度为10-15mM，硫酸铜溶液的浓度为10-15mM。
步骤e中，石墨烯-泡沫镍浸入硫酸铜-精氨酸混合溶液中反应的时间为3-6h。
有益效果：本发明实现了花状铜纳米簇的制备及其与石墨烯的复合，充分发挥其各自优异的电学、催化和传感等性能的协同效应。该复合材料采用未去掉泡沫镍骨架的三维石墨烯作为基底材料，克服了去骨架的三维孔洞结构石墨烯宏观强度低、去除基底后易发生坍塌变形甚至断裂等弊端，提高了复合材料的机械性能；同时也避免了在去除基底的过程中的一些有毒化学试剂地使用，利于环境保护。方法工艺简单，操作方便，对技术要求不高，易于实现，环境污染小，可重复性好，为花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍复合材料的制备提供了一种有效方法。
具体实施方式
本发明制备花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍材料的方法具体如下：
CVD法制备石墨烯-泡沫镍：采用泡沫镍为基底(面密度为250g1m-2，厚度为1.5mm，尺寸为4-10cm2)，基底分别用丙酮、乙醇、去离子水各清洗15-20分钟，以去除表面氧化物层，再用N2吹干。放入加热炉石英管内抽真空，排除管内的空气，通入Ar(100-150sccm)和H2(20-50sccm)，以15℃-20℃/min的速度升温至900℃-1000℃，并在此温度下退火30-40mins。生长石墨烯时通入CH4(10-15sccm)和H2(50-100sccm)，生长5-10mins后断开CH4，并快速降温，等炉子冷却到室温后取出样品，得到覆盖上石墨烯的泡沫镍材料；
花状铜纳米粒子-石墨烯-泡沫镍的制备：直接将上述CVD法制备的石墨烯-泡沫镍浸入10mM-15mM的50-100ml CuSO4和L-精氨酸的混合溶液中反应3-6h就得到花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍复合材料。

Claims (3)

1.一种制备花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍复合材料的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
a.泡沫镍的清洗：将泡沫镍分别用丙酮、乙醇、去离子水清洗，以去除表面氧化物层，再用N2吹干；
b.泡沫镍的热处理：将清洗后的泡沫镍放入加热炉石英管内抽真空，排除管内的空气，通入Ar和H2，升温至900℃-1000℃，并在此温度下退火；
c.制备石墨烯-泡沫镍：通入CH4和H2生长石墨烯，生长后断开CH4，并快速降温，等加热炉冷却到室温后取出样品，得到覆盖上石墨烯的泡沫镍材料；
d.硫酸铜-精氨酸混合溶液的配制：分别配制L-精氨酸溶液和硫酸铜溶液，再将上述配制的L-精氨酸溶液逐滴加入硫酸铜溶液进行均匀混合；
e.花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍的制备：将制备的石墨烯-泡沫镍浸入上述硫酸铜-精氨酸混合溶液中反应，就得到花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍复合材料；
其中，
步骤b中，通入Ar流量为100-150sccm，通入H2流量为20-50sccm；
步骤c中，通入CH4流量为10-15sccm，通入H2流量为50-100sccm；
步骤d中，配制的L-精氨酸溶液的浓度为10-15mM，硫酸铜溶液的浓度为10-15mM。
2.根据权利要求1所述的制备花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍复合材料的方法，其特征在于步骤b中，升温速度为15℃-20℃/min。
3.根据权利要求1所述的制备花状铜纳米簇-石墨烯-泡沫镍复合材料的方法，其特征在于步骤e中，石墨烯-泡沫镍浸入硫酸铜-精氨酸混合溶液中反应的时间为3-6h。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015073620A1 (en) * 2013-11-13 2015-05-21 Massachusetts Institute Of Technology Percolated microstructures for multi-modal transport enhancement in porous active materials
CN106540711A (zh) * 2016-10-25 2017-03-29 东南大学 一种绿色制备银‑氧化锌‑石墨烯‑泡沫镍材料的方法
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Metal-organic framework in an L-arginine copper ion polymer:structure,properties,theoretical studies and microbiological activity;Agnieszka Wojciechowska;《RSC Advances》;20150407(第5期);全文

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