一種合成二氧化鈦/石墨烯納米復(fù)合材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種合成二氧化鈦/石墨烯納米復(fù)合材料的方法。該方法包括：（1）確定二氧化鈦（TiO2）表面電性；（2）根據(jù)TiO2表面電性確定TiO2或者石墨烯氧化物改性程序；（3）TiO2、石墨烯氧化物通過靜電自組裝形成TiO2/石墨烯氧化物納米復(fù)合材料；（4）將TiO2/石墨烯氧化物溶液在攪拌、N2曝氣條件下進(jìn)行紫外光照射；（5）將經(jīng)過紫外光照射后的樣品洗滌干凈后凍干；（6）對凍干后的樣品進(jìn)行微波照射得到TiO2/石墨烯納米復(fù)合材料。該方法制備的TiO2/石墨烯納米復(fù)合材料可以較好地保持材料原本的形貌、分散性較好、石墨烯氧化物也在很大程度上得到還原，因此納米復(fù)合材料的性能得到改善。本發(fā)明方法具有非常廣的通用性，制備的材料具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種合成二氧化鈦/石墨烯納米復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于一種納米復(fù)合材料的制備方法，具體地說是一種二氧化鈦與石墨稀兩種納米材料復(fù)合的方法，該納米復(fù)合材料在環(huán)境和能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【背景技術(shù)】
[0002]納米材料相比于常規(guī)材料，具有表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等特性，導(dǎo)致納米材料顯示出奇特的物理和化學(xué)性能。通過物理或化學(xué)方法使兩種具有不同性能的納米材料復(fù)合制備具有新性能的納米復(fù)合材料成為當(dāng)今的一個(gè)研究熱點(diǎn)，因納米復(fù)合材料取各材料之長或互相補(bǔ)短甚至是產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使納米復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成納米材料而滿足不同的需求，在很多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]納米二氧化鈦(T12)因其比表面積大、表面活性中心多、性能優(yōu)異，使其在環(huán)境保護(hù)和新能源領(lǐng)域的應(yīng)用而備受關(guān)注，在光電轉(zhuǎn)換、磁光效應(yīng)、高介電常數(shù)器件、濕敏傳感器、自清潔、光催化等領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。T12以其環(huán)境友好、高穩(wěn)定性、低成本等優(yōu)勢，成為人們競相研究的熱點(diǎn)。
[0004]石墨稀(Graphene，GR)是近年來發(fā)現(xiàn)的新型二維碳納米材料，由碳原子以sp2雜化連接的單原子層構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，單層厚度僅為
0.35 nm，是構(gòu)建眾多碳材料包括石墨、碳納米管、類富勒稀材料的基本單元。石墨稀的這種特殊結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含了許多優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，如高強(qiáng)度、高載流子迀移速率、高熱導(dǎo)率、量子霍爾效應(yīng)及室溫鐵磁性等特殊性質(zhì)。
[0005]近幾年，半導(dǎo)體/石墨烯納米復(fù)合材料在物理、化學(xué)、材料等領(lǐng)域取得了大量研究成果，特別是二氧化鈦/石墨烯納米復(fù)合材料的制備及應(yīng)用得到了學(xué)者們的高強(qiáng)度研究(Q.J.Xiang, J.G.Yu and M.Jaroniec, Chem.Soc.Rev., 2012, 417, 782)。二氧化鈦與石墨烯復(fù)合后能夠很好地繼承石墨烯的優(yōu)異特性，使得二氧化鈦/石墨烯納米復(fù)合材料擁有更優(yōu)的性能或更廣的應(yīng)用，如環(huán)境凈化(催化降解、殺菌等)、能源儲備(光解水制氫、還原C02制有機(jī)燃料等)、導(dǎo)電電池、電容器材料等。
[0006]目前，二氧化鈦/石墨烯納米復(fù)合材料的制備方法有水熱/溶劑熱法、溶液混合法、原位生長法、電化學(xué)沉積法、原子層沉積法等，這些方法都可以得到二氧化鈦/石墨烯納米復(fù)合材料，然而這些方法要么設(shè)備要求高，要么制備工藝復(fù)雜，要么時(shí)耗長，甚至制備的復(fù)合材料質(zhì)量不佳，如均勻性差、分散性差或者石墨烯的還原程度不高導(dǎo)致復(fù)合材料性能提高不明顯。因此急需一種對設(shè)備要求低、制備工藝簡單可行、耗時(shí)短的方法制備二氧化鈦/石墨烯納米復(fù)合材料，并且所合成的納米復(fù)合材料具有好的均勻性與分散性，同時(shí)石墨烯氧化物的還原程度也較高，復(fù)合材料比各原組成成分都具有較好的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種合成金屬氧化物/石墨烯納米復(fù)合材料的方法。該方法從金屬氧化物表面電性出發(fā)，通過表面電性的測定確定電荷改性程序，經(jīng)過改性的金屬氧化物可以通過靜電吸引、自組裝形成金屬氧化物/石墨烯氧化物納米復(fù)合材料，所形成復(fù)合材料溶液在缺氧條件下進(jìn)行紫外光照并洗滌、凍干后再繼續(xù)使用微波輻射加強(qiáng)石墨烯氧化物的還原，得到均勻性、分散性好的金屬氧化物/石墨烯納米復(fù)合材料，并且復(fù)合材料較單一組分在性能上有所提高。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)。
[0008]1.通過Zeta電位確定二氧化鈦表面電性。
[0009]2.如果二氧化鈦表面呈負(fù)電性，表面電荷改性程序:將二氧化鈦與石墨烯氧化物攪拌、混勻后加入陽離子聚電解質(zhì)；如果二氧化鈦表面呈電中性，表面電荷改性程序:先用陽離子聚電解質(zhì)對二氧化鈦表面進(jìn)行表面電荷改性后再與石墨烯氧化物混合;如果二氧化鈦表面呈正電性，表面電荷改性程序:直接把二氧化鈦與石墨烯氧化物混合或者對二氧化鈦表面進(jìn)一步正電荷改性后再與石墨烯氧化物混合。
[0010]3.表面電荷改性后的二氧化鈦與石墨烯氧化物通過靜電吸引、自組裝形成二氧化鈦/石墨烯氧化物納米復(fù)合材料。
[0011]4.對二氧化鈦/石墨烯氧化物溶液在攪拌、他曝氣條件下進(jìn)行紫外光照射。
[0012]5.將經(jīng)過紫外光照射后的樣品洗滌干凈后凍干。
[0013]6.對凍干后的樣品進(jìn)行微波輻射得到二氧化鈦/石墨烯納米復(fù)合材料。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)。
[0015](I)該技術(shù)可廣泛用于金屬氧化物/石墨烯納米復(fù)合材料的合成，具有普適性。
[0016](2)合成工藝簡單可行。整個(gè)合成過程只包括簡單的改性、紫外照射、微波輻射。
[0017](3)對設(shè)備要求低。只需常規(guī)設(shè)備即可完成復(fù)合材料的合成。
[0018](4)耗時(shí)短。整個(gè)制備過程在1-2天內(nèi)即可完成。
[0019]合成的金屬氧化物/石墨烯納米復(fù)合材料具有好的均勻性、分散性以及保持材料原本的形貌，同時(shí)石墨烯氧化物的還原程度也較高，因此復(fù)合材料較原納米材料單組分具有較好的性能。
【附圖說明】
[0020]圖1為P25/石墨烯納米復(fù)合材料的高分辨透射電鏡照片(HRTEM)。
[0021]圖2為本發(fā)明制備的P25/石墨烯納米復(fù)合材料在模擬太陽光下降解去除亞甲基藍(lán)曲線示意圖(與原P25進(jìn)行了對比)。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明保護(hù)范圍不局限于所述內(nèi)容。
[0023]實(shí)施例1:按照本發(fā)明提出的合成方法制備二氧化鈦/石墨烯納米復(fù)合材料。
[0024](I)以改進(jìn)的Hummer法合成石墨稀氧化物，以Degussa公司生產(chǎn)的二氧化鈦P25作為復(fù)合材料組分。通過P25水溶液Zeta電位的測試確定P25表面呈電負(fù)性。在劇烈攪拌的經(jīng)超聲處理的石墨烯氧化物水溶液中加入一定量的P25粉末(此實(shí)施例中P25與石墨烯氧化物的質(zhì)量比為100)，持續(xù)攪拌15 min后超聲處理15 min，將混合液重新轉(zhuǎn)移到攪拌器上并繼續(xù)劇烈攪拌，往混合液中逐滴加入陽離子聚電解質(zhì)聚乙烯亞氨(此實(shí)施例中聚乙烯亞氨濃度為I mg/mL)，在靜電引力作用下，P25與石墨烯氧化物互相吸引、靠近、組裝復(fù)合在一起，保持反應(yīng)作用I h后，P25/石墨烯氧化物納米復(fù)合材料會絮凝、沉淀，通過注入、傾倒去離子水洗滌絮凝物若干次以去除多余的聚電解質(zhì)。將洗滌干凈的P25/石墨烯氧化物納米復(fù)合材料重新分散在去離子水中形成懸浮液并置于紫外光照射下3 h，把光催化還原過的P25/石墨烯氧化物納米復(fù)合材料用去離子水洗滌6次后凍干、過夜。次日，對凍干樣品進(jìn)行微波照射10 min以去除殘余的聚電解質(zhì)并進(jìn)一步還原石墨稀氧化物后即得到P25/石墨稀納米復(fù)合材料。
[0025](2)對本實(shí)施例合成的P25/石墨烯納米復(fù)合材料進(jìn)行形貌觀察(見圖1)，結(jié)果表明:尺寸為20-25 nm的P25納米顆粒均勾地分散在似薄紗的石墨稀納米頁上。
[0026](3)對本實(shí)施例合成的P25/石墨烯納米復(fù)合材料進(jìn)行模擬太陽光下降解濃度為20ppm的亞甲基藍(lán)溶液(見圖2)表明:P25/石墨烯納米復(fù)合材料具有很高的催化活性，并且優(yōu)于同等條件下的P25。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種合成二氧化鈦/石墨稀納米復(fù)合材料的方法，其特征在于:所述二氧化鈦(Ti02)/石墨稀納米復(fù)合材料的合成方法具體包括以下步驟:(I)通過Zeta電位確定Ti02表面電性；(2)根據(jù)T12表面電性確定T12或者石墨烯氧化物改性程序；(3)表面電荷改性后的T12與石墨烯氧化物通過靜電吸引、自組裝形成T12/石墨烯氧化物納米復(fù)合材料；(4)將T12/石墨烯氧化物溶液在攪拌、犯曝氣條件下進(jìn)行紫外光照射；(5)將經(jīng)過紫外光照射后的樣品洗滌干凈后凍干;(6)對凍干后的樣品進(jìn)行微波照射得到T12/石墨烯納米復(fù)合材料。2.權(quán)利要求1所述二氧化鈦/石墨稀納米復(fù)合材料，其合成方法的特征在于:如果Ti02表面帶負(fù)電，表面電荷改性程序:將T12與石墨烯氧化物攪拌、混勻后加入陽離子聚電解質(zhì)。3.權(quán)利要求1所述二氧化鈦/石墨稀納米復(fù)合材料，其合成方法的特征在于:如果Ti02表面呈電中性，先用陽離子聚電解質(zhì)對T12表面進(jìn)行表面改性后再與石墨烯氧化物混合。4.權(quán)利要求1所述二氧化鈦/石墨稀納米復(fù)合材料，其合成方法的特征在于:如果Ti02表面呈正電性，表面電荷改性程序:直接把T12與石墨烯氧化物混合或者對T12表面進(jìn)一步正電荷改性后再與石墨烯氧化物混合。
【文檔編號】B01J21/18GK105903462SQ201610341955
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】付明來, 陳建煒, 楊佳誠, 苑寶玲
【申請人】中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所