CN112624096A - 一种石墨烯表面分散性改性方法 - Google Patents

一种石墨烯表面分散性改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯表面改性的方法，涉及石墨烯表面改性领域。该方法所制备的表面改性的石墨烯的特征是：纳米级的铜颗粒聚集成小颗粒分散在石墨烯表面。该方法包括如下步骤：以石墨烯为增强相，将石墨烯添加在多巴胺盐酸盐溶液中，之后在聚多巴胺石墨烯溶液中加入CuSO4，将Cu2+还原，在石墨烯表面形成Cu纳米颗粒。该工艺制备的表面改性的石墨烯微观结构稳定，作为增强相添加到复合材料中可以有效改善复合材料的分散性，提高复合材料性能。

Description

一种石墨烯表面分散性改性方法
技术领域
本发明涉及石墨烯表面改性领域，特别提供了一种采用原位化学反应制备纳米铜颗粒修饰石墨烯。
背景技术
石墨烯具有优异的力学性能，是各种复合材料的优良的增强体；虽然已经以石墨烯为增强体制备多种复合材料，但是由于石墨烯片层间不可避免的范德华力，无论是采用机械剥离法还是氧化还原法制备的石墨烯都是由石墨烯纳米片紧密交织的团簇，因此将石墨烯等纳米增强相均匀添加到复合材料中以获得高质量的金属基复合材料仍然是一个很大的挑战。石墨烯在基体分散的关键是克服石墨烯之间较强的相互吸引力(范德华力)，对于这一问题研究者有多种解决方案，一是采用外加机械力的方法破坏其层间结合力，采用诸如超声分散、球磨、搅拌摩擦焊等对石墨烯进行分散；另外一种是对石墨烯进行表面改性，通过化学方法在石墨烯表面添加一些官能团或者镀过渡金属层，削弱石墨烯片层间吸引力，以实现石墨烯的良好分散；还有一种是采用化学气相沉积工艺在金属颗粒上原位生长石墨烯的方法，从而从根源上解决了石墨烯的分散性的问题。虽然化学气相沉积可以更好在基底上分散石墨烯，但受制备条件限制，其效率偏低，无法满足大批量生产应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米铜颗粒修饰石墨烯的制备方法。该纳米铜颗粒修饰石墨烯的特征是：其微观结构为粒径为5nm左右的铜颗粒聚集成小颗粒分散在石墨烯表面。其微观结构形成原理为：利用多巴胺的聚合特性，在避光有氧碱性的条件下，发生自动聚合反应涂覆在石墨烯表面，由于聚多巴胺具有还原性，在聚多巴胺石墨烯溶液中加入CuSO4会将Cu2+还原，在石墨烯表面形成Cu纳米颗粒。
本发明通过在石墨烯表面镀纳米铜颗粒，对石墨烯进行表面改性，改变石墨烯表面能量状态，从而减弱其团聚倾向，不仅可以实现石墨烯的良好分散，而且由于石墨烯表面修饰有纳米铜颗粒，在制备复合材料时，还可以提升界面结合，从而提升复合材料综合性能。
本发明所采用的方法，包括如下步骤：
1.将石墨烯和多巴胺盐酸盐反应，得到聚多巴胺石墨烯溶液
2.在聚多巴胺石墨烯溶液中添加CuSO4，使其在石墨烯表面生成纳米铜颗粒。
所述通过原位化学反应方法对石墨烯进行表面修饰。
所述对石墨烯和多巴胺盐酸盐反应具体流程为：在避光的条件下，将石墨烯添加在1000ml的多巴胺盐酸盐溶液中，将其超声分散10-30分钟，之后施加机械搅拌24-26小时，得到聚多巴胺石墨烯溶液。
在石墨烯表面还原纳米铜颗粒的具体流程为：在弱碱性的条件下，向聚多巴胺石墨烯溶液中加入10-20ml CuSO4溶液，借助聚多巴胺的还原性将Cu2+还原，在石墨烯表面形成Cu纳米颗粒，机械搅拌2-4个小时即可得到纳米铜修饰的石墨烯。
纳米铜颗粒修饰石墨烯制备过程中电磁搅拌速率为100-400转/分钟。
本发明的有益效果是:本发明可以改善石墨烯表面状态，提升石墨烯的分散性，同时由于表面镀有纳米铜颗粒，在与其它材料复合时还可以提升界面结合。
附图说明
图1聚多巴胺还原铜修饰石墨烯扫描电镜照片
图2聚多巴胺还原铜修饰石墨烯透射电镜照片
图3聚多巴胺还原铜修饰石墨烯高倍透射电镜照片
图4聚多巴胺还原铜修饰石墨烯高分辨透射电镜照片
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
参照图1所示，图1为聚多巴胺还原铜修饰石墨烯扫描电镜照片。其微观形貌表现为纳米颗粒较为均匀分散在薄膜上。图2为聚多巴胺还原铜修饰石墨烯透射电镜照片，其微观结构与扫描电镜结果相符，表现为100nm左右的Cu颗粒分散在聚多巴胺包裹石墨烯薄膜上。图3为图2中黑框选定区域的放大图，表明图2中颗粒是由更小的的纳米颗粒聚集而成。图4为图3中纳米颗粒高分辨率透射电镜照片，可以确定纳米颗粒为Cu纳米颗粒。
实施例1
以石墨烯为增强相，将石墨烯添加在1000ml的1g/L的多巴胺盐酸盐溶液中，将其超声分散30分钟，之后施加机械搅拌24小时，反应过程注意避光，得到聚多巴胺石墨烯溶液，之后向聚多巴胺石墨烯溶液中加入1mol/L的CuSO4溶液10ml，借助聚多巴胺的还原性将Cu2+还原，在石墨烯表面形成Cu纳米颗粒，在机械搅拌的作用下反应4小时。得到聚多巴胺还原铜修饰石墨烯溶液之后将所得溶液抽滤、干燥。即可得到聚多巴胺还原铜修饰石墨烯。
实施例2
以石墨烯为增强相，将石墨烯添加在1000ml的1g/L的多巴胺盐酸盐溶液中，将其超声分散30分钟，之后施加机械搅拌24小时，反应过程注意避光，得到聚多巴胺石墨烯溶液，之后向聚多巴胺石墨烯溶液中加入1mol/L的CuSO4溶液20ml，借助聚多巴胺的还原性将Cu2+还原，在石墨烯表面形成Cu纳米颗粒，在机械搅拌的作用下反应4小时。得到聚多巴胺还原铜修饰石墨烯溶液之后将所得溶液抽滤、干燥。即可得到聚多巴胺还原铜修饰石墨烯。
加入不同含量的CuSO4可以得到不同密度的Cu纳米颗粒修饰的石墨烯。图1为聚多巴胺还原铜修饰石墨烯扫描电镜照片。从图1可以看出其微观形貌表现为在一张薄膜上附着一些纳米颗粒。图2为聚多巴胺还原铜修饰石墨烯透射电镜照片。透射电镜结果显示的微观结构与扫描电镜照片结果基本一致，粒径为100nm左右的颗粒随机分布在薄膜表面。图3为图2中黑框选定区域的放大图，可以知道，图2中粒径为100nm的颗粒又由粒径更小的的纳米颗粒聚集而成。通过图4高分辨率透射电镜照片可以确定纳米颗粒为Cu纳米颗粒。以上结果表明，聚多巴胺还原铜修饰石墨烯的微观结构为粒径为5nm的铜颗粒聚集成100nm小岛分散在石墨烯表面。
以上这些，说明本发明的方法可以制备出其微观结构为粒径为5nm左右的铜颗粒聚集成小颗粒分散在石墨烯表面。从而实现对石墨烯的表面改性，提升其分散性以及界面结合特性。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (6)

1.一种石墨烯表面改性的方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：
以石墨烯为增强相，将石墨烯添加在1000ml的多巴胺盐酸盐溶液中，先将其超声分散10-30分钟，之后施加机械搅拌24-26小时，反应过程注意避光，得到聚多巴胺石墨烯溶液，之后向聚多巴胺石墨烯溶液中加入10-20mlCuSO4溶液，借助聚多巴胺的还原性将Cu2+还原，在石墨烯表面形成Cu纳米颗粒，在机械搅拌的作用下反应2-4小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，石墨烯厚度为1-10nm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所采用的CuSO4纯度为99.9％，CuSO4溶液溶度为0.75-1.25mol/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所采用的多巴胺盐酸盐溶度为0.75-1.25g/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，机械搅拌速率为100-400转/分钟。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，聚多巴胺石墨烯溶液为弱碱性，通过加入缓冲剂调节其pH值到7.3～8.3。
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