本發(fā)明涉及納米材料制備技術領域,更具體的說是一種三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙的制備方法。
背景技術:
氧化鋅作為一種重要的寬禁帶半導體材料,具有許多優(yōu)良的性能,如無毒性、非遷移性、熒光性、壓電性、導電性、高催化活性等。氧化鋅優(yōu)良的性能使得其在光電化學領域具有廣泛的應用。一維的氧化鋅納米棒由于其獨特的棒狀結構,可以加速電荷轉移,從而有效地抑制光生電子和空穴的復合。在光電化學應用中,氧化鋅作為最基本的光電活性材料,不僅需要優(yōu)良的導電性能,而且需要大的表面積用于負載更多的功能材料及信號分子。因此,制備具有大的表面積和良好導電性的氧化鋅納米材料對于光電化學應用具有重要的意義。
紙由縱橫交錯的纖維組成,這種獨特的三維網絡結構使得紙具有大的表面積。在實際應用中,通常在紙纖維表面功能化一些納米材料,使得紙具有良好的機械強度、導電性和生物相容性。常用的紙纖維功能化法通常是化學修飾法,這種方法修飾的納米材料與紙纖維具有較差的吸附作用。因此急需尋求有效的方法將納米材料負載在纖維表面。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是首先通過原位生長法在縱橫交錯的纖維網絡表面包覆石墨烯納米層,獲得的石墨烯對紙纖維具有較好吸附作用。隨后,利用水熱法將具有分層結構的氧化鋅納米棒-氧化鋅納米顆粒生長在石墨烯紙表面,獲得三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙。
一種三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙的制備方法具體包括如下步驟:
(1)制備紙基底:利用計算機軟件設計疏水蠟打印圖案,如附圖1所示,然后通過蠟打印機將設計好的圖案打印在色譜紙上,最后將打印過的色譜紙置于烘箱中,在150℃條件下,加熱30秒使蠟融化,形成疏水區(qū)域;
(2)制備氧化石墨烯分散液:首先采用hummers方法合成氧化石墨烯,然后將獲得的氧化石墨烯超聲溶解于二次水中,獲得濃度為0.25-0.5mg/ml的氧化石墨烯分散液;
(3)制備石墨烯紙,其掃描電鏡表征如附圖2所示;
(4)制備三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙,其掃描電鏡表征如附圖2和附圖3所示。
本發(fā)明步驟(1)所使用的計算機軟件是adobeillustrator或者coreldraw或者photoshop軟件中的一種。
本發(fā)明步驟(1)所述的紙基底尺寸如附圖1所示,其形狀為正方形,長和寬均為15mm,中間白色的圓形親水區(qū)域直徑為8mm,周圍灰色的區(qū)域為疏水區(qū)域。
本發(fā)明步驟(3)所述的制備石墨烯紙的具體方法如下:將步驟(2)中獲得的氧化石墨烯分散液滴涂到步驟(1)中獲得的色譜紙的親水區(qū)域,并在室溫下自然干燥,重復操作上述“滴涂-干燥”過程6-10次后,將色譜紙放到含有生長液的高壓釜中,所述的生長液由10-15ml步驟(2)中獲得的氧化石墨烯分散液、40-50μl質量分數(shù)為80%的水合肼和30-40μl質量分數(shù)為25%的氨水組成,在70-90℃下加熱反應1-3h,待自然冷卻到室溫后,將獲得的石墨烯紙用二次水洗滌并在60℃下干燥30min。
本發(fā)明步驟(4)所述的制備三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙的具體過程分為兩步:第一步是在石墨烯紙的表面生長氧化鋅納米棒,首先以乙醇為溶劑制備濃度為30-60mm的醋酸鋅溶液,將獲得的醋酸鋅溶液旋涂在石墨烯紙表面,轉速為1000r/min,時間為30-60s,然后在120℃下干燥10min,重復上述“旋涂-干燥”過程5-8次后,將獲得石墨烯紙置于含有15ml混合液的高壓釜中,所述的混合液由濃度為20-25mm的硝酸鋅和濃度為25-30mm的六次甲基四胺組成,在80-90℃加熱反應6-9h后,自然冷卻到室溫并用二次水洗滌獲得的石墨烯-氧化鋅納米棒復合納米紙;第二步是在氧化鋅納米棒的表面生長氧化鋅納米顆粒,將獲得的石墨烯-氧化鋅納米棒復合納米紙置于含有10ml混合液的高壓釜中,所述的混合液由濃度為0.5-1mm檸檬酸鈉,濃度為5-10mm的六次甲基四胺和濃度為5-10mm的硝酸鋅組成,在70-80℃加熱4-6h,待自然冷卻到室溫后,用二次水洗滌并在室溫下自然干燥,獲得三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙。
本發(fā)明的有益效果:
(1)合成的三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙具有較大的表面積,有利于功能化納米材料和負載信號分子,可以廣泛地應用于光電化學傳感領域。
(2)基于石墨烯的良好導電性和氧化鋅獨特的棒狀結構,三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙可以有效地加速電荷的轉移,極大地提高光電轉換效率。
(3)三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙合成方法簡單,且合成的納米材料對紙纖維具有良好的吸附作用,在光電化學傳感器件的制備中具有良好的應用價值。
說明書附圖
圖1為色譜紙的疏水蠟打印圖案。
圖2為制備的石墨烯紙的掃描電鏡圖。
圖3為制備的三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙的低倍放大掃描電鏡圖。
圖4為制備的三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙的高倍放大掃描電鏡圖。
具體實施方式
為了更好地理解本發(fā)明,下面結合實施例進一步闡明本發(fā)明的內容,但本發(fā)明的內容不僅僅局限于下面的實施例。
實施例1
一種三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙的制備方法,具體制備方案如下:
(1)制備紙基底:利用adobeillustratorcs4軟件設計疏水蠟打印圖案,如附圖1所示,其形狀為正方形,長和寬均為15mm,中間白色的圓形親水區(qū)域直徑為8mm,周圍灰色的區(qū)域為疏水區(qū)域;然后通過蠟打印機將設計好的圖案打印在色譜紙上,最后將打印過的色譜紙置于烘箱中,在150℃條件下,加熱30秒使蠟融化,形成疏水區(qū)域;
(2)制備氧化石墨烯分散液:首先采用hummers方法合成氧化石墨烯,然后將獲得的氧化石墨烯超聲溶解于二次水中,獲得濃度為0.5mg/ml的氧化石墨烯分散液;
(3)制備石墨烯紙:將步驟(2)中獲得的氧化石墨烯分散液滴涂到步驟(1)中獲得的色譜紙的親水區(qū)域,并在室溫下自然干燥,重復操作上述“滴涂-干燥”過程6次后,將色譜紙放到含有生長液的高壓釜中,所述的生長液由10ml步驟(2)中獲得的氧化石墨烯分散液、40μl質量分數(shù)為80%的水合肼和30μl質量分數(shù)為25%的氨水組成,在90℃下加熱反應2h,待自然冷卻到室溫后,將獲得的石墨烯紙用二次水洗滌并在60℃下干燥30min;
(4)制備三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙:第一步是在石墨烯紙的表面生長氧化鋅納米棒,首先以乙醇為溶劑制備濃度為40mm的醋酸鋅溶液,將獲得的醋酸鋅溶液旋涂在石墨烯紙表面,轉速為1000r/min,時間為60s,然后在120℃下干燥10min,重復上述“旋涂-干燥”過程7次后,將獲得石墨烯紙置于含有15ml混合液的高壓釜中,所述的混合液由濃度為25mm的硝酸鋅和濃度為25mm的六次甲基四胺組成,在90℃加熱反應6h后,自然冷卻到室溫并用二次水洗滌獲得的石墨烯-氧化鋅納米棒復合納米紙;第二步是在氧化鋅納米棒的表面生長氧化鋅納米顆粒,將獲得的石墨烯-氧化鋅納米棒復合納米紙置于含有10ml混合液的高壓釜中,所述的混合液由濃度為1mm的檸檬酸鈉,濃度為10mm的六次甲基四胺和濃度為10mm的硝酸鋅組成,在70℃加熱6h,待自然冷卻到室溫后,用二次水洗滌并在室溫下自然干燥,獲得三維石墨烯-氧化鋅復合納米紙。
實施例2
制備步驟同例1,不同之處是:步驟(3)所述的生長液由12ml步驟(2)中獲得的氧化石墨烯分散液、48μl質量分數(shù)為80%的水合肼和36μl質量分數(shù)為25%的氨水組成。
實施例3
制備步驟同例1,不同之處是:步驟(4)中第一步在石墨烯紙的表面生長氧化鋅納米棒,所用的醋酸鋅溶液濃度為50mm。
實施例4
制備步驟同例1,不同之處是:步驟(4)中第二步在氧化鋅納米棒的表面生長氧化鋅納米顆粒,所述的混合液由濃度為0.8mm檸檬酸鈉,濃度為8mm的六次甲基四胺和濃度為8mm的硝酸鋅組成。