CN107652989A - 一种石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石墨烯制造和石墨烯应用技术领域，具体为一种氧化石墨烯复合材料的制备方法。所述石墨烯复合材料的制备方法,包括如下步骤：S1、将氧化石墨超声分散在超纯水中得到氧化石墨烯的分散液；S2、制备具有核壳结构的TiO2‑MoO3胶体溶液；S3、将所得的氧化石墨烯的分散液与TiO2‑MoO3核壳结构纳米颗粒胶体溶液按照充分混匀，调节PH，超声分散后获得氧化石墨烯复合材料分散液；S4、向氧化石墨烯复合材料分散液中加入还原剂，得到石墨烯复合材料分散液；S5、将所得分散液的上层液低速离心，再将低速离心后的上清液高速离心，获得石墨烯复合材料沉淀物；S6、将沉淀物冷却，并过滤，去离子水洗涤后乙醇洗，将得到的产物在真空干燥箱中干燥，制得石墨烯复合材料。

Description

一种石墨烯复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯制造和石墨烯应用技术领域，具体为一种氧化石墨烯复合材料的制备方法。
背景技术
石墨烯是碳纳米管、富勒烯和石墨的基本结构单元，是有蜂窝状结构的单原子厚度的石墨片，是目前世界上最薄最坚硬的材料之一。石墨烯具有良好的导热性、高的机械强度、温室下的量子霍尔效应及双极性电场效应等一系列优异性能，其理论比表面积面积巨大 (2630m2/g)，可用来担载各类无机化合物，可应用于纳米器件、液晶器件、传感器、能量储存与转换 ( 如锂离子电池、超级电容器、燃料电池 ) 等领域。同时，比表面积大、导电性高、循环稳定性和机械性能好等优点，使石墨烯适于做薄膜太阳能电池的电极材料。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法在宏观或微观上组成的具有新性能的材料。各种材料可以在性能上互补，产生协同效应，从而提升复合材料的综合性能，满足各种不同的需求，因此复合材料受到了人们的普遍重视。纳米复合材料是至少有一相物质是在纳米量级 (1~100nm) 的复合材料，在此范围内，依赖于纳米材料的表面效应和量子尺寸效应，纳米复合材料表现出相比于块体材料更优越的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型石墨烯复合材料的制备方法，并获得采用此方法制备的石墨烯复合材料。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 一种石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于，包括如下步骤 ：
S1、将氧化石墨超声分散在超纯水中得到氧化石墨烯的分散液；
S2、制备具有核壳结构的TiO2-MoO3胶体溶液：取一定量的七钼酸铵（NH4）6MO7O24•4H2O）溶解于超纯水，配置七钼酸铵水溶液；取一定量的 TiO2粉末，超声分散到钼酸铵水溶液中，使MoO3与TiO2 的摩尔比为16:1；然后将体系转移到一个开口的圆底烧瓶中，70℃-90℃水热反应，然后在室温下将溶液慢慢蒸发浓缩，最后形成TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒胶体溶液；
S3、将步骤S1中所得的氧化石墨烯的分散液与步骤S2中的TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒胶体溶液按照充分混匀，调节PH至6-8，超声分散后获得氧化石墨烯复合材料分散液；
S4、向所述氧化石墨烯复合材料的分散液中加入还原剂，反应2-4 小时使得所述氧化石墨烯被还原成石墨烯，得到石墨烯复合材料分散液；
S5、将步骤 S4中所得分散液的上层液低速离心，再将低速离心后的上清液高速离心，获得石墨烯复合材料沉淀物；
S6、将步骤 S5中所得沉淀物冷却，并用孔径为 1.2μm 的尼龙过滤膜过滤，去离子水洗涤后乙醇洗，将得到的产物在真空干燥箱中干燥，制得石墨烯复合材料。
进一步的，所述步骤S1中将氧化石墨超声分散在超纯水中得到氧化石墨烯的分散液的操作中，氧化石墨烯的分散液的浓度为2mg/mL ～ 8mg/mL。
进一步的，所述步骤S2中所配置的七钼酸铵水溶液的浓度为2 mg/mL。
进一步的，所述步骤S2中所述的TiO2粉末为P25。
进一步的，所述步骤S2中水热反应时，控制温度为 70-90℃、反应时间为 30-60分钟。
进一步的，所述步骤S2氧化石墨烯的分散液与步骤S3中按照所述TiO2-MoO3纳米颗粒和所述氧化石墨烯的质量比为 1：2-1:4的比例将的TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒胶体溶液和所述氧化石墨烯的分散液充分混匀。
进一步的，所述步骤S3中调节 pH 值所用溶液的浓度为 0.2-2 mol/L的氢氧化钠溶液、碳酸铵溶液、碳酸氢铵溶液或者尿素溶液中的至少一种。
进一步的，所述步骤S4中加入的还原剂为水合肼，控制反应在温度40℃-75℃下进行。
进一步的，所述步骤S5中低速离心的速率为 500-2000rpm，高速离心的速率为6000-18000rpm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中，石墨烯以氧化石墨烯的形式加入，一方面表面含氧官能团能通过较强的化学作用或范德华力相互作用锚定原位生成的TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒，能增加TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒的均匀分散；另一方面，在氧化石墨烯的水热还原过程中能起到阻碍石墨片层堆叠的作用，减小了离子传导电阻。因此该复合方法制备的石墨烯-TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒具有均衡发展的电子和离子传输通道，在作为薄膜太阳能电池电极或者电极修饰层方面将显示出突出的实用性能。本发明的纳米复合材料同时具有优异的阻燃及抑烟性能，具有广泛的应用前景。相对于传统的采用化学气相沉积法制备石墨烯复合材料的方法，本发明的石墨烯复合材料的制备方法不需要专用设备，因而生产成本较低。
附图说明
图1为本发明的石墨烯复合材料的制备方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案： 一种石墨烯复合材料的制备方法,包括如下步骤 ：
S1、将氧化石墨超声分散在超纯水中得到氧化石墨烯的分散液；所述步骤S1中将氧化石墨超声分散在超纯水中得到氧化石墨烯的分散液的操作中，氧化石墨烯的分散液的浓度为2mg/mL ～ 8mg/mL；
S2、制备具有核壳结构的TiO2-MoO3胶体溶液：取一定量的七钼酸铵（NH4）6MO7O24•4H2O）溶解于超纯水，配置七钼酸铵水溶液；取一定量的 TiO2粉末，超声分散到钼酸铵水溶液中，使MoO3与TiO2 的摩尔比为16:1；然后将体系转移到一个开口的圆底烧瓶中，70℃-90℃水热反应，然后在室温下将溶液慢慢蒸发浓缩，最后形成TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒胶体溶液；所述步骤S2中所配置的七钼酸铵水溶液的浓度为2 mg/mL；所述步骤S2中所述的TiO2粉末为P25；所述步骤S2中水热反应时，控制温度为 70-90℃、反应时间为 30-60 分钟；所述步骤S2氧化石墨烯的分散液与步骤S3中按照所述TiO2-MoO3纳米颗粒和所述氧化石墨烯的质量比为 1：2-1:4的比例将的TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒胶体溶液和所述氧化石墨烯的分散液充分混匀；
S3、将步骤S1中所得的氧化石墨烯的分散液与步骤S2中的TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒胶体溶液按照充分混匀，调节PH至6-8，超声分散后获得氧化石墨烯复合材料分散液；所述步骤S3中调节 pH 值所用溶液的浓度为 0.2-2 mol/L的氢氧化钠溶液、碳酸铵溶液、碳酸氢铵溶液或者尿素溶液中的至少一种；
S4、向所述氧化石墨烯复合材料的分散液中加入还原剂，反应2-4 小时使得所述氧化石墨烯被还原成石墨烯，得到石墨烯复合材料分散液；所述步骤S4中加入的还原剂为水合肼，控制反应在温度 40℃-75℃下进行；
S5、将步骤 S4中所得分散液的上层液低速离心，再将低速离心后的上清液高速离心，获得石墨烯复合材料沉淀物；所述步骤S5中低速离心的速率为 500-2000rpm，高速离心的速率为 6000-18000rpm。
S6、将步骤 S5中所得沉淀物冷却，并用孔径为 1.2μm 的尼龙过滤膜过滤，去离子水洗涤后乙醇洗，将得到的产物在真空干燥箱中干燥，制得石墨烯复合材料。
本发明的成功是基于以下几点：本发明中，石墨烯以氧化石墨烯的形式加入，一方面表面含氧官能团能通过较强的化学作用或范德华力相互作用锚定原位生成的TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒，能增加TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒的均匀分散；另一方面，在氧化石墨烯的水热还原过程中能起到阻碍石墨片层堆叠的作用，减小了离子传导电阻。因此该复合方法制备的石墨烯-TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒具有均衡发展的电子和离子传输通道，在作为薄膜太阳能电池电极或者电极修饰层方面将显示出突出的实用性能。本发明的纳米复合材料同时具有优异的阻燃及抑烟性能，具有广泛的应用前景。相对于传统的采用化学气相沉积法制备石墨烯复合材料的方法，本发明的石墨烯复合材料的制备方法不需要专用设备，因而生产成本较低。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种石墨烯复合材料的制备方法, 其特征在于，包括如下步骤 ：
S1、将氧化石墨超声分散在超纯水中得到氧化石墨烯的分散液；
S2、制备具有核壳结构的TiO2-MoO3胶体溶液：取一定量的七钼酸铵（NH4）6MO7O24•4H2O）溶解于超纯水，配置七钼酸铵水溶液；取一定量的 TiO2粉末，超声分散到钼酸铵水溶液中，使MoO3与TiO2 的摩尔比为16:1；然后将体系转移到一个开口的圆底烧瓶中，70℃-90℃水热反应，然后在室温下将溶液慢慢蒸发浓缩，最后形成TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒胶体溶液；
S3、将步骤S1中所得的氧化石墨烯的分散液与步骤S2中的TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒胶体溶液按照充分混匀，调节PH至6-8，超声分散后获得氧化石墨烯复合材料分散液；
S4、向所述氧化石墨烯复合材料的分散液中加入还原剂，反应2-4 小时使得所述氧化石墨烯被还原成石墨烯，得到石墨烯复合材料分散液；
S5、将步骤 S4中所得分散液的上层液低速离心，再将低速离心后的上清液高速离心，获得石墨烯复合材料沉淀物；
S6、将步骤 S5中所得沉淀物冷却，并用孔径为 1.2μm 的尼龙过滤膜过滤，去离子水洗涤后乙醇洗，将得到的产物在真空干燥箱中干燥，制得石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中将氧化石墨超声分散在超纯水中得到氧化石墨烯的分散液的操作中，氧化石墨烯的分散液的浓度为2mg/mL ～ 8mg/mL。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中所配置的七钼酸铵水溶液的浓度为2 mg/mL。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中所述的TiO2粉末为P25。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中水热反应时，控制温度为 70-90℃、反应时间为 30-60 分钟。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2氧化石墨烯的分散液与步骤S3中按照所述TiO2-MoO3纳米颗粒和所述氧化石墨烯的质量比为1：2-1:4的比例将的TiO2-MoO3核壳结构纳米颗粒胶体溶液和所述氧化石墨烯的分散液充分混匀。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中调节 pH 值所用溶液的浓度为 0.2-2 mol/L的氢氧化钠溶液、碳酸铵溶液、碳酸氢铵溶液或者尿素溶液中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中加入的还原剂为水合肼，控制反应在温度40℃-75℃下进行。
9.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中低速离心的速率为 500-2000rpm，高速离心的速率为 6000-18000rpm。
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