CN111334251A - 石墨纳米片多相碳复合物的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新材料制造技术领域，具体的说是一种工艺简单、易操作、无环保压力、适于工业化实现的石墨纳米片多相碳复合物的制备方法及应用，原料选用葡萄糖、果糖、蔗糖等生物质糖类，物理剥离法制备的石墨纳米片，溶剂使用一定比例的酒精与水混合物，添加10％硝化纤维素混合于溶液中，石墨纳米片搅拌状态下浸泡于混合液中24～48小时，在湿润状态下，置于水热釜中进行水热碳化，温度140～180℃，时间4～8小时，随后获得石墨纳米片与糖碳化后的复合碳材料，这类复合碳材料表面残留大量醛基、羟基、羰基等功能化基团，在其表面可以负载镍、稀土化合物等功能性粒子，便于其在复合材料、工业催化等多种领域进行应用。

Description

石墨纳米片多相碳复合物的制备方法及应用

技术领域：

本发明涉及新材料制造技术领域，具体的说是一种工艺简单、易操作、无环保压力、适于工业化实现的石墨纳米片多相碳复合物的制备方法及应用。

背景技术：

近年，以石墨烯为代表的碳材料的研发和工程化应用，有了爆发式的增长。各种碳材料，如石墨烯、纳米碳管、碳纤维等，都有着很多种制备方法，其中多种碳材料的复合物的制备，也是方法多样，各有千秋，获得的复合物也具有各自的独特形貌和特色。

石墨纳米片的表面形成多相碳复合物，可以获得一种表面具有大量醛基、羟基、羰基等功能化基团的材料，特别适用于复合材料、工业催化等领域的需求，但现阶段很少有此类材料的简便易操作、不产生有毒害产物的工业生产方法。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种制备流程工艺简单，易于操作，无环保压力，可大量制备的石墨纳米片多相碳复合物的制备方法及应用。

本发明通过以下措施达到：

一种石墨纳米片多相碳复合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：选用生物质糖以及物理剥离法制备的石墨纳米片，投入溶剂中，溶剂采用酒精与水的混合物；

步骤2：向步骤1所获溶液内添加硝化纤维素，使石墨纳米片搅拌状态下浸泡于混合液中24小时；

步骤3：取出石墨纳米片，在湿润状态下，置于水热釜中进行水热碳化，温度140～180℃，时间4～8小时，清洗烘干后，获得石墨纳米片与糖碳化后的复合碳材料。

本发明所述溶剂中酒精与水的比例为7:3或5:5。

本发明所述生物质糖(蔗糖、葡萄糖、果糖)等，通过水热釜高温高压反应进行焦炭化，碳化后表面残留有羰基、醛基、羟基等化学功能团，利用这些功能分子，使用含镍盐试剂溶液通过水热工艺制得镍颗粒复合的功能复合物，用来达到吸收电磁波的效果。

本发明生物质糖选用葡萄糖100～140g/L，石墨纳米片采用物理剥离法制备的石墨纳米片0.3～3g/L(D50约3～10微米左右、厚度小于3纳米)。

本发明最终获得一种新型碳复合材料，其表面具有大量醛基、羟基、羰基等功能化基团，利用这些功能分子，使用含镍盐试剂溶液通过水热工艺制得镍颗粒复合的功能复合物，用来达到吸收电磁波的效果。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明将生物质糖(蔗糖、葡萄糖、果糖等)溶解在酒精与水的溶液中，添加硝化纤维素(火棉胶)作添加剂，加入石墨纳米片，机械搅拌均匀，然后置于水热反应釜中，水热碳化处理。最后清洗烘干获得一种表面有多种活性基团的碳复合物。

实施例1：

本例提出了一种石墨纳米片多相碳复合物的制备方法：

原料选用葡萄糖120g/L、物理剥离法制备的石墨纳米片0.3g/L(D50约6微米左右、厚度～3纳米)，溶剂选用7:3比例的酒精与水混合物，添加10％硝化纤维素(火棉胶)混合于溶液中；

将石墨纳米片搅拌状态下浸泡于混合液中24小时，取出，在湿润状态下，置于水热釜中进行水热碳化，温度180℃，时间8小时。随后获得石墨纳米片与糖碳化后的复合碳材料。

这类复合碳材料表面残留大量醛基、羟基、羰基等功能化基团，利用这些功能基团，在其表面可以负载镍粒子，便于其在吸波复合材料领域进行应用。具体做法是，把上述多相碳化物分散在镍盐溶液中充分润湿分散，再把以上混有多相碳化物分散镍溶液置于反应釜中，在160℃环境下作用4小时，镍粒子负载于多相碳化物上，降温到室温下打开罐体，取出多相碳化物/镍复合粉体，40-60℃烘干即可；所述含有还原剂的镍盐溶液采用普通市售化学镀镍溶液或自行配制带有还原试剂的硫酸镍、氯化镍、氨基磺酸镍的溶液；还原试剂采用次亚磷酸钠或还原肼或二甲基胺硼烷或甲醛。

实施例2：

本实施例和实施例1中的不同的点是，原料选用蔗糖、溶剂选用5:5比例的酒精与水混合物，糖浓度可适当调整适应溶液粘度，其它步骤与实施例1一致。

实施例3：

本实施例和实施例1中的不同的点是，选用的石墨纳米片原料采用已经有镍负载的石墨纳米片，具有镍负载的石墨纳米片通过以下措施达到：

将石墨纳米片浸泡在氧化性酸溶液中，然后将石墨纳米片冲洗取出，使用含有还原剂的镍盐溶液，在机械搅拌和超声震荡共同作用下，使酸化后石墨纳米片分散在镍盐溶液中，再把以上混有石墨纳米片镍溶液置于反应釜中，在200～400℃环境下作用2-24小时，镍纳米颗粒负载于石墨纳米片上，降温到室温下打开罐体，取出石墨纳米片/镍复合粉体，40-60℃烘干即可；其中所述氧化性酸溶液采用1:1硝酸水溶液；所述含有还原剂的镍盐溶液采用普通市售化学镀镍溶液或自行配制带有还原试剂的硫酸镍、氯化镍、氨基磺酸镍的溶液；还原试剂采用次亚磷酸钠或还原肼或二甲基胺硼烷或甲醛。

将葡萄糖120g/L、利用上述方法获得的镍负载的石墨纳米片3g/L投入溶剂中，溶剂选用7:3比例的酒精与水混合物，添加10％硝化纤维素(火棉胶)混合于溶液中；

将镍负载的石墨纳米片搅拌状态下浸泡于混合液中24小时，取出，在湿润状态下，置于水热釜中进行水热碳化，温度180℃，时间8小时。随后获得的多相复合碳材料中含有少量镍和镍的氧化物，适合用于吸波复合材料。

实施例4：

本例提出了一种适用作吸波复合材料的复合钴粒子石墨纳米片多相碳复合物的制备方法：

步骤1：选用生物质糖和物理剥离法制备的石墨纳米片投入溶剂中，其中生物质糖加入量为120g/L，选用葡萄糖或蔗糖，石墨纳米片加入量0.3g/L，D50约6微米左右、厚度～3纳米，溶剂选用7:3比例的酒精与水混合物，添加10％硝化纤维素(火棉胶)混合于溶液中；

步骤2：将石墨纳米片搅拌状态下浸泡于混合液中24小时，取出，在湿润状态下，置于水热釜中进行水热碳化，温度180℃，时间8小时，随后获得石墨纳米片与糖碳化后的复合碳材料；

步骤3：把步骤2所获的多相碳化物分散在钴盐溶液中充分润湿分散，再把以上混有多相碳化物分散钴盐溶液置于反应釜中，在160℃环境下作用4小时，钴粒子负载于多相碳化物上，降温到室温下打开罐体，取出多相碳化物/钴复合粉体，40-60℃烘干即可；所述含有还原剂的钴盐溶液采用普通市售化学镀钴溶液或自行配制带有还原试剂的硫酸钴溶液；还原试剂采用次亚磷酸钠或还原肼或二甲基胺硼烷或甲醛。

本实施例和实施例1中的不同的点是，多相碳化物负载的颗粒是钴粒子或其它磁性粒子，水热溶液配方中硫酸钴为主盐的水溶液，其它步骤与实施例1一致；制得的多相碳化物复合钴粒子适合作为吸波复合材料。

实施例5：

本例提出了一种适用作涂料添加剂或复合催化剂的负载稀土氧化物的石墨纳米片多相碳复合物的制备方法：

步骤1：选用葡萄糖120g/L、物理剥离法制备的石墨纳米片0.3g/L，D50约6微米左右、厚度～3纳米；溶剂选用7:3比例的酒精与水混合物，添加10％硝化纤维素混合于溶液中；

步骤2：将石墨纳米片搅拌状态下浸泡于混合液中24小时，取出，在湿润状态下，置于水热釜中进行水热碳化，温度180℃，时间8小时，随后获得石墨纳米片与糖碳化后的复合碳材料；

步骤3：把多相碳化物分散在硝酸铈盐溶液中充分润湿分散，再把以上混有多相碳化物分散硝酸铈溶液置于反应釜中，在160℃环境下作用4小时，氧化铈粒子负载于多相碳化物上，降温到室温下打开罐体，取出多相碳化物/氧化铈复合粉体，40-60℃烘干即可。

本实施例和实施例1中的不同的点是，多相碳化物负载的颗粒是CeO₂等稀土化合物，水热溶液配方是硝酸铈为主盐的水溶液，其它步骤与实施例1一致。制得的多相碳化物复合氧化铈可作为涂料的添加剂，或作为复合催化剂用于化学催化。

本发明与现有技术相比，具有环保、操作简单、适于大规模工业生产等显著的优点。

Claims (8)

1.一种石墨纳米片多相碳复合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：选用生物质糖以及物理剥离法制备的石墨纳米片，投入溶剂中，溶剂采用酒精与水的混合物；

步骤2：向步骤1所获溶液内添加硝化纤维素，使石墨纳米片搅拌状态下浸泡于混合液中24小时；

步骤3：取出石墨纳米片，在湿润状态下，置于水热釜中进行水热碳化，温度140～180℃，时间4～8小时，清洗烘干后，获得石墨纳米片与糖碳化后的复合碳材料。

2.根据权利要求1所述的一种石墨纳米片多相碳复合物的制备方法，其特征在于所述溶剂中酒精与水的比例为7:3或5:5。

3.根据权利要求1所述的一种石墨纳米片多相碳复合物的制备方法，其特征在于所述生物质糖为蔗糖、葡萄糖、果糖，通过水热釜高温高压反应进行焦炭化，碳化后表面残留有羰基、醛基、羟基等化学功能团。

4.根据权利要求1所述的一种石墨纳米片多相碳复合物的制备方法，其特征在于生物质糖选用葡萄糖100～140g/L，石墨纳米片采用物理剥离法制备的石墨纳米片0.3～3g/L。

5.一种适用于吸波材料的复合镍粒子的石墨纳米片多相碳复合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：选用生物质糖以及物理剥离法制备的石墨纳米片，投入溶剂中，溶剂采用酒精与水的混合物；

步骤2：向步骤1所获溶液内添加硝化纤维素，使石墨纳米片搅拌状态下浸泡于混合液中24小时；

步骤3：取出石墨纳米片，在湿润状态下，置于水热釜中进行水热碳化，温度140～180℃，时间4～8小时，清洗烘干后，获得石墨纳米片与糖碳化后的复合碳材料；

步骤4：把所获混有多相碳化物分散于镍溶液中，置于反应釜中，在160℃环境下作用4小时，镍粒子负载于多相碳化物上，降温到室温下打开罐体，取出多相碳化物/镍复合粉体，40-60℃烘干即可；所述含有还原剂的镍盐溶液采用普通市售化学镀镍溶液或自行配制带有还原试剂的硫酸镍、氯化镍、氨基磺酸镍的溶液；还原试剂采用次亚磷酸钠或还原肼或二甲基胺硼烷或甲醛。

6.一种适用于吸波材料的复合镍粒子的石墨纳米片多相碳复合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：选用已经有镍负载的石墨纳米片，具有镍负载的石墨纳米片通过以下措施达到：

将石墨纳米片浸泡在氧化性酸溶液中，然后将石墨纳米片冲洗取出，使用含有还原剂的镍盐溶液，在机械搅拌和超声震荡共同作用下，使酸化后石墨纳米片分散在镍盐溶液中，再把以上混有石墨纳米片镍溶液置于反应釜中，在200～400℃环境下作用2-24小时，镍纳米颗粒负载于石墨纳米片上，降温到室温下打开罐体，取出石墨纳米片/镍复合粉体，40-60℃烘干即可；其中所述氧化性酸溶液采用1:1硝酸水溶液；所述含有还原剂的镍盐溶液采用普通市售化学镀镍溶液或自行配制带有还原试剂的硫酸镍、氯化镍、氨基磺酸镍的溶液；还原试剂采用次亚磷酸钠或还原肼或二甲基胺硼烷或甲醛；

将葡萄糖120g/L、镍负载的石墨纳米片3g/L投入溶剂中，溶剂选用7:3比例的酒精与水混合物，添加10％硝化纤维素混合于溶液中；

步骤2：将镍负载的石墨纳米片搅拌状态下浸泡于混合液中24小时，取出；

步骤3：取出石墨纳米片，在湿润状态下，置于水热釜中进行水热碳化，温度140～180℃，时间4～8小时，清洗烘干后，获得成品。

7.一种适用作吸波复合材料的复合钴粒子的石墨纳米片多相碳复合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：选用生物质糖和物理剥离法制备的石墨纳米片投入溶剂中，其中生物质糖加入量为120g/L，选用葡萄糖或蔗糖，石墨纳米片加入量0.3g/L，D50约6微米左右、厚度～3纳米，溶剂选用7:3比例的酒精与水混合物，添加10％硝化纤维素混合于溶液中；

步骤2：将石墨纳米片搅拌状态下浸泡于混合液中24小时，取出，在湿润状态下，置于水热釜中进行水热碳化，温度180℃，时间8小时，随后获得石墨纳米片与糖碳化后的复合碳材料；

步骤3：把步骤2所获的多相碳化物分散在钴盐溶液中充分润湿分散，再把以上混有多相碳化物分散钴盐溶液置于反应釜中，在160℃环境下作用4小时，钴粒子负载于多相碳化物上，降温到室温下打开罐体，取出多相碳化物/钴复合粉体，40-60℃烘干即可；所述含有还原剂的钴盐溶液采用普通市售化学镀钴溶液或自行配制带有还原试剂的硫酸钴溶液；还原试剂采用次亚磷酸钠或还原肼或二甲基胺硼烷或甲醛。

8.一种适用作涂料添加剂或复合催化剂的负载稀土氧化物的石墨纳米片多相碳复合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：选用葡萄糖120g/L、物理剥离法制备的石墨纳米片0.3g/L，D50约6微米左右、厚度～3纳米；溶剂选用7:3比例的酒精与水混合物，添加10％硝化纤维素混合于溶液中；

步骤2：将石墨纳米片搅拌状态下浸泡于混合液中24小时，取出，在湿润状态下，置于水热釜中进行水热碳化，温度180℃，时间8小时，随后获得石墨纳米片与糖碳化后的复合碳材料；

步骤3：把多相碳化物分散在硝酸铈盐溶液中充分润湿分散，再把以上混有多相碳化物分散硝酸铈溶液置于反应釜中，在160℃环境下作用4小时，氧化铈粒子负载于多相碳化物上，降温到室温下打开罐体，取出多相碳化物/氧化铈复合粉体，40-60℃烘干即可。