CN110615431A - 一种具有稳定溶液分散性的二维纳米磁子制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁力搅拌技术领域,涉及一种具有稳定溶液分散性的二维纳米磁子制备方法,首先采用Hummers法将石墨制备成水溶性氧化石墨烯,然后将氧化石墨烯制备成负载羧基的水溶性石墨烯载体溶液或制备负载磺酸根的水溶性石墨烯载体溶液,最后通过静电吸附‑原位还原生长的方式将Fe3O4纳米粒子固载于可在水中稳定分散的水溶性石墨烯载体表面,使制备的二维纳米磁子在水中具有稳定分散性,能够在微纳尺度下和限域微空间内实现磁力搅拌,并通过控制Fe3O4纳米粒子在水溶性石墨烯载体表面的尺寸和分布密度,控制二维纳米磁子的磁性。
Description
技术领域:
本发明属于磁力搅拌技术领域,涉及一种具有稳定溶液分散性的二维纳米磁子制备方法,制备能够在微纳尺度下和限域微空间内实现磁力搅拌的二维纳米磁子。
背景技术:
磁力搅拌是利用磁场的同性相斥、异性相吸的原理,使用磁场推动放置在容器中带磁性的磁子进行运动,从而达到搅拌的目的。磁力搅拌可实现驱动装置与搅拌装置非机械接触式动力传输,在密闭性体系(如高压容器)中具有重要应用价值。此外,磁力搅拌的非机械式接触动力传输可实现多磁子协同搅拌功能,特别当磁子达到纳米尺度并可在溶液中稳定分散时,能够通过磁场作用实现纳米磁子在微纳尺度下和限域微空间内的搅拌功能。制备可在水溶液中稳定分散的纳米磁子是在微纳尺度下和限域微空间内磁力搅拌的关键,但是,相关研究目前鲜见报道,而在物理吸附、医用载体、磁共振造影等领域,研究人员对磁性纳米粒子的制备进行了较多研究报道:中国专利201610476814.1公开的一种纳米磁性聚赖氨酸/(氧化石墨烯-碳纳米管)生物吸附材料的制备方法及应用,使用化学共沉淀法将Fe3O4磁性粒子沉积到石墨烯与碳纳米管复配物表面,并通过表面接枝技术将赖氨酸修饰到磁性杂化体上制备,磁性生物吸附材料;中国专利200510041150.8公开的一种纳米磁性液体的制备方法,使用共沉淀法制备Fe3O4颗粒,然后通过对Fe3O4颗粒在酸性条件下进行胶溶化处理得到Fe3O4透明胶体溶液;中国专利200910197295.5公开的氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米磁性粒子的制备方法,通过铁基配位反应-高温热解-脱氨基保护反应制备水溶性的氨基功能化Fe3O4纳米颗粒;中国专利200810227202.4公开的一种纳米磁性聚合物复合微球的制备方法和中国专利201019114005.6公开的一种纳米磁性聚合物复合微球的制备方法,均是在乳液聚合过程中添加疏水性处理的Fe3O4粒子制备纳米聚合物磁性微球;中国专利201310576592.7公开的一种聚苯胺衍生物包裹纳米磁性颗粒磁性液体的制备方法,通过分布穿插反应制备聚苯胺衍生物包覆磁性纳米Fe3O4颗粒的磁性液体;中国专利201410152393.8公开的一种水溶性四氧化三铁纳米磁流体的制备方法,将三价铁盐、尿素、酒石酸多元醇-水溶液在100-200℃条件下进行密封回流制备直径3-5纳米的Fe3O4纳米流体;中国专利201811050455.9公开的一种用于污水处理的纳米磁性粒子的制备方法,将Fe3O4纳米磁子用碱溶液处理后用四甲基硅氧烷处理并与PEG聚合进行偶联,制备兼有PEG的磁性纳米粒子;中国专利201910025790.1公开的一种高稳定性水基纳米磁性流体的制备方法,在大分子表面活性剂分散作用下通过共沉淀法制备水溶性较好的Fe3O4磁性纳米粒子;尽管上述报道都提供了制备磁性纳米粒子的方法,但却是通过对Fe3O4磁性粒子进行修饰改性而获得的,经过磁场条件下的富集纯化,使得其在磁场作用的分散稳定性较低、难以满足微纳尺度下和限域空间内的磁力搅拌。因此,研发一种具有稳定溶液分散性的二维纳米磁子制备方法,具有很高的社会意义及实用价值。
发明内容:
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点,研发设计一种具有稳定溶液分散性的二维纳米磁子制备方法,能够制备实现纳微尺度下和限域微空间内磁力搅拌的二维纳米磁子。
为了实现上述目的,本发明涉及的具有稳定溶液分散性的二维纳米磁子制备方法是在水溶性石墨烯载体表面通过静电吸附-原位还原生成磁性Fe3O4纳米粒子,具体工艺过程包括制备氧化石墨烯、制备水溶性石墨烯载体溶液和制备纳米磁子共三个步骤:
(1)制备氧化石墨烯:在转速为300-500rpm的磁力搅拌条件下将设定质量的膨胀石墨和NaNO2加入温度为0-4℃,质量百分比为98%的浓硫酸中,完全溶解后,分批次加入设定量的KMnO4并在温度为10-15℃的条件下搅拌2-3h,再在温度为35℃的条件下搅拌30min,再加入设定量的去离子水并在温度为80-100℃的条件下搅拌30min,然后加入设定量的H2O2,过滤,收集过滤物并用HCl进行清洗,得到氧化石墨烯;
(2)制备水溶性石墨烯载体溶液为制备负载羧基的水溶性石墨烯载体溶液或制备负载磺酸根的水溶性石墨烯载体溶液:
制备负载羧基的水溶性石墨烯载体溶液的过程为:取步骤(1)制备的氧化石墨烯溶于水中,加入设定量的NaOH和氯乙酸并超声3-5h,使氧化石墨烯的羟基和环氧基团转化成羧基,得到负载羧基的水溶性石墨烯载体溶液;
制备负载磺酸根的水溶性石墨烯载体溶液的过程为:取步骤(1)制备的氧化石墨烯溶于水中,加入设定量的NaBH4水溶液进行预还原,使用Na2CO3将pH值调节至9-10,加入设定质量的对氨基苯磺酸重氮盐,在冰水浴的条件下搅拌2-4h,离心、收集沉淀并清洗,得到磺化石墨烯粉末,溶于水,得到负载磺酸根的水溶性石墨烯载体溶液;
(3)制备纳米磁子:将步骤(2)制备的水溶性石墨烯载体溶液的质量百分比稀释至0.1-1%,在转速为100-500rpm的搅拌条件下,以1-5滴/10s的速率滴加FeCl3水溶液,其中,Fe3+与石墨烯载体溶液的质量比为1:2-1:10,滴加完成后恒速搅拌1-2h,使Fe3+在与磺酸根或羧酸根之间的静电吸附作用下被吸附到石墨烯表面,再以1-5滴/10s的速率滴加硼氢化钠水溶液,硼氢化钠水溶液与Fe3+水溶液的摩尔浓度比为2:1-6:1,滴加后恒速搅拌1-2h,使Fe3+在硼氢化钠还原下析出为Fe3O4纳米粒子并固载于石墨烯表面,得到表面固载有Fe3O4粒子的二维纳米磁子。
本发明与现有技术相比,首先采用Hummers法将石墨制备成水溶性氧化石墨烯,然后将氧化石墨烯制备成负载羧基的水溶性石墨烯载体溶液或制备负载磺酸根的水溶性石墨烯载体溶液,最后通过静电吸附-原位还原生长的方式将Fe3O4纳米粒子固载于可在水中稳定分散的水溶性石墨烯载体表面,使制备的二维纳米磁子在水中具有稳定分散性,并通过控制Fe3O4纳米粒子在水溶性石墨烯载体表面的尺寸和分布密度,控制二维纳米磁子的磁性。
附图说明:
图1为本发明实施例1涉及的二维纳米磁子制备方法的工艺流程框图。
图2为本发明实施例1涉及的二维纳米磁子的透射电镜照片。
具体实施方式:
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1:
本实施例涉及的具有稳定溶液分散性的二维纳米磁子制备方法的具体工艺过程包括制备氧化石墨烯、制备水溶性石墨烯载体溶液和制备纳米磁子共三个步骤:
(1)制备氧化石墨烯:在转速为300rpm的磁力搅拌条件下将质量为10g的膨胀石墨和质量为5g的NaNO2加入温度为0-4℃,体积为230mL,质量百分比为98%的浓硫酸中,完全溶解后,分6次加入质量为30g的KMnO4并在温度为10-15℃的条件下搅拌2h,再在温度为35℃的条件下搅拌30min,再加入质量为200g的去离子水并在温度为80-100℃的条件下搅拌30min,然后加入质量为20g的H2O2,过滤,收集过滤物并用HCl进行清洗,得到氧化石墨烯;
(2)制备水溶性石墨烯载体溶液:将步骤(1)制备的氧化石墨烯溶于水中,形成1g/L的氧化石墨烯水溶液,取75mL氧化石墨烯水溶液,在其中加入15微升40g/L的NaBH4水溶液进行预还原,使用Na2CO3将pH值调节至9-10,加入100毫升1g/L的对氨基苯磺酸重氮盐,在冰水浴的条件下搅拌2-4h,离心、收集沉淀并清洗,得到磺化石墨烯粉末,溶于水,得到负载磺酸根的水溶性石墨烯载体溶液;
(3)制备纳米磁子:将步骤(2)制备的水溶性石墨烯载体溶液的质量百分比稀释至0.1%,在转速为300rpm的搅拌条件下,以3滴/10s的速率滴加FeCl3水溶液,其中,Fe3+与石墨烯载体溶液的质量比为1:5,滴加完成后以300rpm的转速搅拌2h,使Fe3+在与磺酸根之间的静电吸附作用下被吸附到石墨烯表面,再以3滴/10s的速率滴加硼氢化钠水溶液,硼氢化钠水溶液与Fe3+水溶液的摩尔浓度比为2:1,滴加后以300rpm的转速搅拌2h,使Fe3+在硼氢化钠还原下析出为Fe3O4纳米粒子并固载于石墨烯表面,得到表面固载有Fe3O4粒子的二维纳米磁子。
Claims (3)
1.一种具有稳定溶液分散性的二维纳米磁子制备方法,其特征在于是在水溶性石墨烯载体表面通过静电吸附-原位还原生成磁性Fe3O4纳米粒子,具体工艺过程包括制备氧化石墨烯、制备水溶性石墨烯载体溶液和制备纳米磁子共三个步骤:
(1)制备氧化石墨烯:在转速为300-500rpm的磁力搅拌条件下将设定质量的膨胀石墨和NaNO2加入温度为0-4℃,质量百分比为98%的浓硫酸中,完全溶解后,分批次加入设定量的KMnO4并在温度为10-15℃的条件下搅拌2-3h,再在温度为35℃的条件下搅拌30min,再加入设定量的去离子水并在温度为80-100℃的条件下搅拌30min,然后加入设定量的H2O2,过滤,收集过滤物并用HCl进行清洗,得到氧化石墨烯;
(2)制备水溶性石墨烯载体溶液为制备负载羧基的水溶性石墨烯载体溶液或制备负载磺酸根的水溶性石墨烯载体溶液;
(3)制备纳米磁子:将步骤(2)制备的水溶性石墨烯载体溶液的质量百分比稀释至0.1-1%,在转速为100-500rpm的搅拌条件下,以1-5滴/10s的速率滴加FeCl3水溶液,其中,Fe3+与石墨烯载体溶液的质量比为1:2-1:10,滴加完成后恒速搅拌1-2h,使Fe3+在与磺酸根或羧酸根之间的静电吸附作用下被吸附到石墨烯表面,再以1-5滴/10s的速率滴加硼氢化钠水溶液,硼氢化钠水溶液与Fe3+水溶液的摩尔浓度比为2:1-6:1,滴加后恒速搅拌1-2h,使Fe3+在硼氢化钠还原下析出为Fe3O4纳米粒子并固载于石墨烯表面,得到表面固载有Fe3O4粒子的二维纳米磁子。
2.根据权利要求1所述的一种具有稳定溶液分散性的二维纳米磁子制备方法,其特征在于制备负载羧基的水溶性石墨烯载体溶液的过程为:取步骤(1)制备的氧化石墨烯溶于水中,加入设定量的NaOH和氯乙酸并超声3-5h,使氧化石墨烯的羟基和环氧基团转化成羧基,得到负载羧基的水溶性石墨烯载体溶液。
3.根据权利要求1所述的一种具有稳定溶液分散性的二维纳米磁子制备方法,其特征在于制备负载磺酸根的水溶性石墨烯载体溶液的过程为:取步骤(1)制备的氧化石墨烯溶于水中,加入设定量的NaBH4水溶液进行预还原,使用Na2CO3将pH值调节至9-10,加入设定质量的对氨基苯磺酸重氮盐,在冰水浴的条件下搅拌2-4h,离心、收集沉淀并清洗,得到磺化石墨烯粉末,溶于水,得到负载磺酸根的水溶性石墨烯载体溶液。
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