一种石墨烯/壳聚糖复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯/壳聚糖复合材料及其制备方法，所述复合材料制备方法为：1)将氧化石墨烯分散液加入到壳聚糖季铵盐水溶液中，调节pH值9～11，再用水合肼进行还原，再将石墨烯分散于水中得到改性石墨烯分散液；2)将壳聚糖加入到醋酸水溶液中配制得到壳聚糖溶液；3)将壳聚糖溶液加入到石墨烯分散液中搅拌均匀得到石墨烯/壳聚糖电沉积液；4)将石墨烯/壳聚糖电沉积液超声分散除去气泡，以金属铜或银或铁作为电沉积的阳极电极材料，以铂片作为电沉积的阴极电极材料，采用电沉积方法得到石墨烯/壳聚糖复合材料。本发明专利技术所得石墨烯/壳聚糖复合材料外观平整光滑，无气泡，并且易于从电极表面取下，有利于材料直接进行后续的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/壳聚糖复合材料及其制备方法
本专利技术属于复合材料领域，具体涉及一种石墨烯/壳聚糖复合材料及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维碳纳米材料，具有良好的稳定性，它是目前发现的厚度较薄、机械强度较大、导电导热性能良好的一种新型纳米材料，在电子元器件、太阳能电池、和传感器等方面备受关注。将石墨烯作为纳米填料组分加入聚合物中，可以有效改善聚合物的电、机械和热等性能。然而，由于石墨烯表面呈惰性，且石墨烯会由于其片层之间的范德华力而聚集在一起，在水及有机溶剂中都很难分散，因而不能很好地与聚合物基体复合，大大限制了石墨烯-聚合物复合材料的进一步研究与应用。为了充分利用石墨烯的优良特性，现有技术中一般采用具有良好的润湿性能和表面活性的氧化石墨烯为原料，与聚合物复合后再还原氧化石墨烯实现石墨烯的应用。如天然高分子壳聚糖材料中含有大量的氨基和羟基，可进行酰化、羧基化、醚化、烷基化、酯化和卤化等多种化学反应，据此可制备出壳聚糖与氧化石墨烯的复合材料，再经还原得到壳聚糖与石墨烯的复合材料，从而赋予其更多的特殊性能。近来，采用电沉积技术制备石墨烯-壳聚糖复合材料的方法逐渐受到关注，与传统方法相比，电沉积技术具有仪器设备简单，制备条件温和，具有时间和空间的选择性和可控性等优点。一般是采用氧化石墨烯与壳聚糖进行阴极电沉积，在电沉积过程中，利用阴极电化学反应将氧化石墨烯还原为石墨烯，从而在电极表面得到具有石墨烯的电沉积层[BiosensorsandBioelectronics,2013,47:530-538]。但一方面，直接采用氧化石墨烯为原料进行沉积，后期需要还原，沉积得到的复合材料中石墨烯含量不高；另一方面，采用阴极电沉积制备具有石墨烯的电沉积层，由于在电沉积过程中，阴极电化学反应产生大量气泡，导致石墨烯电沉积层的外观粗糙，表面不平整光滑，不利于其进行后续的应用。为解决上述问题，亟需找到一种以石墨烯为电沉积原料，采用阳极电沉积方式制备石墨烯/壳聚糖复合材料的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种阳极电沉积得到的石墨烯/壳聚糖复合材料及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：提供一种石墨烯/壳聚糖复合材料，它由以下方法制备得到：1)制备改性石墨烯分散液：将氧化石墨加入到氢氧化钠水溶液中，超声分散得到质量浓度为2.5～5mg/mL的氧化石墨烯分散液；将壳聚糖季铵盐加入到蒸馏水中，充分搅拌得到质量浓度为3～5mg/mL的壳聚糖季铵盐水溶液；然后将上述氧化石墨烯分散液加入到壳聚糖季铵盐水溶液中进行混合，氧化石墨烯分散液与壳聚糖季铵盐水溶液质量比为10～20：50～100，在室温下搅拌得到混合溶液，然后调节所得混合溶液的pH值至9～11，再将水合肼滴加到混合溶液中，使水合肼在混合溶液中的质量浓度为3～4mg/mL，在室温下搅拌反应10～30分钟，然后升温至60～90℃搅拌反应2～8小时，得到黑色的絮状沉淀，对沉淀物过滤、洗涤、干燥得到壳聚糖季铵盐改性石墨烯，再将所得壳聚糖季铵盐改性石墨烯加入到蒸馏水中，超声分散得到质量浓度为3～9mg/mL的改性石墨烯分散液；2)配制壳聚糖溶液：将壳聚糖加入到醋酸水溶液中，在15～30℃下搅拌12～32小时至壳聚糖充分溶解，再用乙酸钠水溶液调节壳聚糖溶液的pH值为5.4～5.8，采用布氏漏斗进行过滤配制得到质量浓度为20～30mg/mL的壳聚糖溶液；3)配制石墨烯/壳聚糖电沉积液：将60～100体积份步骤2)所得壳聚糖溶液加入到80～100体积份步骤1)所得改性石墨烯分散液中，在10～30℃下搅拌均匀得到石墨烯/壳聚糖电沉积液；4)阳极电沉积方法制备石墨烯/壳聚糖复合材料：将步骤3)所得石墨烯/壳聚糖电沉积液超声分散除去气泡，以金属铜或银或铁作为电沉积的阳极电极材料，以铂片作为电沉积的阴极电极材料，将阳极电极材料和阴极电极材料同时浸入石墨烯/壳聚糖电沉积液中，采用高精度可编程直流电源进行电沉积，电沉积结束后在阳极电极材料表面得到石墨烯/壳聚糖复合材料。按上述方案，步骤1)所述氢氧化钠水溶液浓度为0.03-0.07M。按上述方案，步骤2)所述醋酸水溶液体积浓度为0.25-0.3％。按上述方案，步骤2)所述乙酸钠水溶液浓度为1.0～2.0M。按上述方案，步骤4)所述进行电沉积的工艺为：阳极电极材料和阴极电极材料之间的距离为1～2cm，采用高精度可编程直流电源施加恒定电压1.0～1.5V进行电沉积，电沉积时间为3～9分钟。本专利技术提供上述石墨烯/壳聚糖复合材料的制备方法，其步骤如下：1)制备改性石墨烯分散液：将氧化石墨加入到氢氧化钠水溶液中，超声分散得到质量浓度为2.5～5mg/mL的氧化石墨烯分散液；将壳聚糖季铵盐加入到蒸馏水中，充分搅拌得到质量浓度为3～5mg/mL的壳聚糖季铵盐水溶液；然后将上述氧化石墨烯分散液加入到壳聚糖季铵盐水溶液中进行混合，氧化石墨烯分散液与壳聚糖季铵盐水溶液质量比为10～20：50～100，在室温下搅拌得到混合溶液，然后调节所得混合溶液的pH值至9～11，再将水合肼滴加到混合溶液中，使水合肼在混合溶液中的质量浓度为3～4mg/mL，在室温下搅拌反应10～30分钟，然后升温至60～90℃搅拌反应2～8小时，得到黑色的絮状沉淀，对沉淀物过滤、洗涤、干燥得到壳聚糖季铵盐改性石墨烯，再将所得壳聚糖季铵盐改性石墨烯加入到蒸馏水中，超声分散得到质量浓度为3～9mg/mL的改性石墨烯分散液；2)配制壳聚糖溶液：将壳聚糖加入到醋酸水溶液中，在15～30℃下搅拌12～32小时至壳聚糖充分溶解，再用乙酸钠水溶液调节壳聚糖溶液的pH值为5.4～5.8，采用布氏漏斗进行过滤配制得到质量浓度为20～30mg/mL的壳聚糖溶液；3)配制石墨烯/壳聚糖电沉积液：将60～100体积份步骤2)所得壳聚糖溶液加入到80～100体积份步骤1)所得改性石墨烯分散液中，在10～30℃下搅拌均匀得到石墨烯/壳聚糖电沉积液；4)阳极电沉积方法制备石墨烯/壳聚糖复合材料：将步骤3)所得石墨烯/壳聚糖电沉积液超声分散除去气泡，以金属铜或银或铁作为电沉积的阳极电极材料，以铂片作为电沉积的阴极电极材料，将阳极电极材料和阴极电极材料同时浸入石墨烯/壳聚糖电沉积液中，采用高精度可编程直流电源进行电沉积，电沉积结束后在阳极电极材料表面得到石墨烯/壳聚糖复合材料。石墨烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维层状结构，具有大的比表面积、高的机械强度、良好的稳定性、极佳的导电性，由于石墨烯片层之间具有范德华力，会使石墨烯在水溶液体系中发生团聚，从而限制了它的应用。水溶性良好的壳聚糖季铵盐在水中电离后带有正电荷，会与改进的Hummers法制备的氧化石墨烯上的负电荷产生静电作用，附着在氧化石墨烯的表面或插入到片层之间，再利用还原剂对氧化石墨烯进行还原，使石墨烯片层之间的距离增大，作用力减小，得到能在壳聚糖水溶液中分散良好的石墨烯，进而制备得到混合均匀、分散良好的石墨烯/壳聚糖的水分散液作为电沉积液。另一方面，壳聚糖分子链中含有大量的氨基和羟基等基团，使得壳聚糖分子可以和一些金属离子产生配位作用形成配位化合物，在电沉积过程中，采用金属铜(或金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/壳聚糖复合材料，其特征在于：它由以下方法制备得到：1)制备改性石墨烯分散液：将氧化石墨加入到氢氧化钠水溶液中，超声分散得到质量浓度为2.5～5mg/mL的氧化石墨烯分散液；将壳聚糖季铵盐加入到蒸馏水中，充分搅拌得到质量浓度为3～5mg/mL的壳聚糖季铵盐水溶液；然后将上述氧化石墨烯分散液加入到壳聚糖季铵盐水溶液中进行混合，氧化石墨烯分散液与壳聚糖季铵盐水溶液质量比为10～20：50～100，在室温下搅拌得到混合溶液，然后调节所得混合溶液的pH值至9～11，再将水合肼滴加到混合溶液中，使水合肼在混合溶液中的质量浓度为3～4mg/mL，在室温下搅拌反应10～30分钟，然后升温至60～90℃搅拌反应2～8小时，得到黑色的絮状沉淀，对沉淀物过滤、洗涤、干燥得到壳聚糖季铵盐改性石墨烯，再将所得壳聚糖季铵盐改性石墨烯加入到蒸馏水中，超声分散得到质量浓度为3～9mg/mL的改性石墨烯分散液；2)配制壳聚糖溶液：将壳聚糖加入到醋酸水溶液中，在15～30℃下搅拌12～32小时至壳聚糖充分溶解，再用乙酸钠水溶液调节壳聚糖溶液的pH值为5.4～5.8，采用布氏漏斗进行过滤配制得到质量浓度为20～30mg/mL的壳聚糖溶液；3)配制石墨烯/壳聚糖电沉积液：将60～100体积份步骤2)所得壳聚糖溶液加入到80～100体积份步骤1)所得改性石墨烯分散液中，在10～30℃下搅拌均匀得到石墨烯/壳聚糖电沉积液；4)阳极电沉积方法制备石墨烯/壳聚糖复合材料：将步骤3)所得石墨烯/壳聚糖电沉积液超声分散除去气泡，以金属铜或银或铁作为电沉积的阳极电极材料，以铂片作为电沉积的阴极电极材料，将阳极电极材料和阴极电极材料同时浸入石墨烯/壳聚糖电沉积液中，采用高精度可编程直流电源进行电沉积，电沉积结束后在阳极电极材料表面得到石墨烯/壳聚糖复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/壳聚糖复合材料，其特征在于：它由以下方法制备得到：1)制备改性石墨烯分散液：将氧化石墨加入到氢氧化钠水溶液中，超声分散得到质量浓度为2.5～5mg/mL的氧化石墨烯分散液；将壳聚糖季铵盐加入到蒸馏水中，充分搅拌得到质量浓度为3～5mg/mL的壳聚糖季铵盐水溶液；然后将上述氧化石墨烯分散液加入到壳聚糖季铵盐水溶液中进行混合，氧化石墨烯分散液与壳聚糖季铵盐水溶液质量比为10～20：50～100，在室温下搅拌得到混合溶液，然后调节所得混合溶液的pH值至9～11，再将水合肼滴加到混合溶液中，使水合肼在混合溶液中的质量浓度为3～4mg/mL，在室温下搅拌反应10～30分钟，然后升温至60～90℃搅拌反应2～8小时，得到黑色的絮状沉淀，对沉淀物过滤、洗涤、干燥得到壳聚糖季铵盐改性石墨烯，再将所得壳聚糖季铵盐改性石墨烯加入到蒸馏水中，超声分散得到质量浓度为3～9mg/mL的改性石墨烯分散液；2)配制壳聚糖溶液：将壳聚糖加入到醋酸水溶液中，在15～30℃下搅拌12～32小时至壳聚糖充分溶解，再用乙酸钠水溶液调节壳聚糖溶液的pH值为5.4～5.8，采用布氏漏斗进行过滤配制得到质量浓度为20～30mg/mL的壳聚糖溶液；3)配制石墨烯/壳聚糖电沉积液：将60～100体积份步骤2)所得壳聚糖溶液加入到80～100体积份步骤1)所得改性石墨烯分散液中，在10～30℃下搅拌均匀得到石墨烯/壳聚糖电沉积液；4)阳极电沉积方法制备石墨烯/壳聚糖复合材料：将步骤3)所得石墨烯/壳聚糖电沉积液超声分散除去气泡，以金属铜或银或铁作为电沉积的阳极电极材料，以铂片作为电沉积的阴极电极材料，将阳极电极材料和阴极电极材料同时浸入石墨烯/壳聚糖电沉积液中，采用高精度可编程直流电源进行电沉积，电沉积结束后在阳极电极材料表面得到石墨烯/壳聚糖复合材料。2.根据权利要求1所述的石墨烯/壳聚糖复合材料，其特征在于：步骤1)所述氢氧化钠水溶液浓度为0.03-0.07M。3.根据权利要求1所述的石墨烯/壳聚糖复合材料，其特征在于：步骤2)所述醋酸水溶液体积浓度为0.25-0.3％。4.根据权利要求1所述的石墨烯/壳聚糖复合材料，其特征在于：步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈艳军，刘明阳，王艺峰，章政，郭传航，薛武子，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42