石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物或磷酸盐纳米复合材料及制备方法技术

本发明专利技术提供的是一种石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物或磷酸盐纳米复合材料及制备方法。以石墨烯为基底，金属氧化物颗粒或者金属磷酸盐纳米颗粒生长在石墨烯基底表面，石墨烯量子点作为导电隔板组装在金属氧化物颗粒或者磷酸盐纳米颗粒之间。由于金属氧化物或者磷酸盐纳米颗粒之间由石墨烯量子点导电隔板紧密连接，使得复合材料具有三维整体的、贯通的电子和光子传导通道，电子或光子传导速率更快，同时这种分级结构赋予材料内部贯通的传质通道，因此无论作为电极材料、光电材料还是光催化材料都具有更优异的性能。制备工艺简单、成本低、可大规模生产，在光催化、电极材料、制氢以及太阳能电池等领域将具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物或磷酸盐纳米复合材料及制备方法
本专利技术涉及的是一种纳米复合材料，具体地说是一种石墨烯/石墨烯量子点/金属氧化物或者磷酸盐纳米复合材料。本专利技术也涉该纳米复合材料的制备方法。
技术介绍
复合材料由于能发挥组成材料各自的优点，克服单一材料的缺陷、甚至带来新的性质，可用于开发性能优异的新型材料。石墨烯具有超高的电导率，大的比表面积，二维超薄的结构，高的光透过率，稳定的热力学性质，超快的热导率等特点，将其与其它材料，例如金属氧化物或者金属磷酸盐复合，可以广泛地应用于储能领域及能量转化领域，如光催化材料、光电材料、储氢材料、锂离子电池及超级电容器电极材料等。例如申请号为201310003703.5的专利文件中，采用传统水热法，实现石墨烯与氧化物(或金属化合物)的一步复合，使石墨烯和氧化物发挥协同效应，大大改善材料的电化学性能，提高氧化物作为锂离子电池电极的循环性能、倍率性能、克容量，并降低其阻抗；申请号为201210582986.9的专利文件中，公开了一种石墨烯/二氧化钛光催化剂的制备方法，采用该方法所制备的石墨烯/二氧化钛光催化剂对有机染料具有优异的光催化降解性能。将二维石墨烯制备成当量直径更小的石墨烯量子点，除了具有石墨烯优异性能之外，由于其尺寸在100nm以下，还表现出量子限域效应和边界效应，而且引发了一些新的物理性质，因此广泛应用于生物细胞成像、光电、发光二极管、纳米电极等领域。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有更快的电子和光子传导速率的石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物或磷酸盐纳米复合材料。本专利技术的目的还在于提供一种石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物或磷酸盐纳米复合材料的制备方法。本专利技术的石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物纳米复合材料为：以石墨烯为基底，金属氧化物纳米颗粒生长在所述石墨烯基底表面，石墨烯量子点作为导电隔板组装在所述金属氧化物纳米颗粒之间。本专利技术的石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物纳米复合材料还可以包括：1、石墨烯：石墨烯量子点：金属氧化物的质量比为0.01～30：0.01～30：100，优选0.1～10：0.1～10：100。2、石墨烯的当量直径大小为0.5～50um，优选1～20um，石墨烯量子点当量直径为1～100nm，优选5～50nm，金属氧化物纳米颗粒的当量直径为1～200nm，优选20～50nm。3、所述金属氧化物为金属Li、Fe、Mn、Zn、Cu、Ni、Co、Mg、Ca、Ce、La中的任意一种或者两种以上氧化物的复合。本专利技术的石墨烯与石墨烯量子点和磷酸盐纳米复合材料为：以石墨烯为基底，金属磷酸盐纳米颗粒生长在所述石墨烯基底表面，石墨烯量子点作为导电隔板组装在所述磷酸盐纳米颗粒之间。本专利技术的石墨烯与石墨烯量子点和磷酸盐纳米复合材料还可以包括：1、石墨烯：石墨烯量子点：金属磷酸盐的质量比为0.01～30：0.01～30：100，优选0.1～10：0.1～10：100。2、石墨烯的当量直径大小为0.5～50um，优选1～20um，石墨烯量子点当量直径为1～100nm，优选5～50nm，金属磷酸盐纳米颗粒的当量直径为1～200nm，优选20～50nm。3、所述金属磷酸盐为金属Li与Fe、Mn、Zn、Cu、Ni、Co、Mg、Ca、Ce、La中的任意一种或者两种以上磷酸盐的复合。本专利技术的石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物纳米复合材料的制备方法为：(1)将Li、Fe、Mn、Zn、Cu、Ni、Co、Mg、Ca、Ce、La中的任意一种或者两种以上的可溶性的硝酸盐、硫酸盐或者氯化物溶解在乙醇中，使可溶性金属盐的浓度为0.05～1mol/L；(2)配制氧化石墨烯量子点、氧化石墨烯的碱性分散液，其中氧化石墨烯量子点的浓度为0.01～10mg/mL，氧化石墨烯的浓度为0.01～10mg/mL，碱的浓度为0.1～2mol/L；(3)将步骤(1)和步骤(2)所配制的溶液按照金属盐离子与碱的摩尔比1：1～4的比例混合均匀；(4)将步骤(3)的混合溶液在600W功率下微波处理3～20min，所得到的沉淀物过滤、洗涤、干燥得到固体粉末；(5)将步骤(4)得到的固体粉末在氮气氛中300～700℃煅烧1～5小时，获得石墨烯/石墨烯量子点/纳米金属氧化物复合材料。所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种。本专利技术的石墨烯与石墨烯量子点和磷酸盐纳米复合材料的制备方法为：(1)将Li的可溶性盐与Fe、Mn、Zn、Cu、Ni、Co、Mg、Ca、Ce、La中的任意一种或者两种以上可溶性的硝酸盐、硫酸盐或者氯化物溶解在乙醇中，使可溶性金属盐的浓度为0.05～2mol/L；(2)配制氧化石墨烯量子点、氧化石墨烯的磷酸分散液，其中氧化石墨烯量子点的浓度为0.01～10mg/mL，氧化石墨烯的浓度为0.01～10mg/mL，磷酸的浓度为0.1～2mol/L，溶剂为无水乙醇；(3)将步骤(1)和步骤(2)所配制的溶液按照金属盐离子与磷酸的摩尔比1：2～6的比例混合均匀，室温下搅拌反应1～5h，然后80～100℃干燥10～20h，经破碎、洗涤、再次于100℃干燥4h得到固体粉末；(4)将步骤(3)制得的固体粉末在氮气保护下300～400℃煅烧3～5h，然后再在600～800℃下煅烧5～15h，得到石墨烯与石墨烯量子点和磷酸盐纳米复合材料。本专利技术充分利用石墨烯以及石墨烯量子点的性能优势，将其与金属氧化物或者金属磷酸盐进行自组装，提供一种具有独特的三维结构的纳米复合材料。该复合材料以石墨烯为基底，金属氧化物颗粒或者金属磷酸盐纳米颗粒生长在石墨烯基底表面，石墨烯量子点作为导电隔板组装在金属氧化物颗粒或者磷酸盐纳米颗粒之间，使复合材料具有更快的电子和光子传导速率，同时这种三维结构产生的贯通的孔道更利于材料内部的快速传质，因此无论作为电极材料、光电材料还是光催化材料，与单纯的石墨烯/金属氧化物复合材料或者磷酸盐复合材料相比，都具有更优异的性能。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术使用石墨烯、石墨烯量子点与金属氧化物或者金属磷酸盐自组装制备复合纳米材料，与普通的石墨烯/金属氧化物或者金属磷酸盐复合材料相比，由于金属氧化物与磷酸盐纳米颗粒之间由石墨烯量子点导电隔板紧密连接，使得复合材料具有三维整体的、贯通的电子和光子传导通道，电子或光子传导速率更快，同时这种分级结构赋予材料内部贯通的传质通道，因此无论作为电极材料、光电材料还是光催化材料都具有更优异的性能。同时该材料制备工艺简单、成本低可大规模生产，在光催化、电极材料、制氢以及太阳能电池等领域将具有广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例3所制备的石墨烯/石墨烯量子点/锌铁复合氧化物材料的扫描电镜照片。图2为本专利技术实施例3、对比实施例1和对比实施例2所制备的样品的X射线衍射对比图。图3为本专利技术实施例3、对比实施例1和对比实施例2所制备的样品在可见光诱导下光催化降解亚甲基蓝的效果对比图。(注：将50mg样品分散于100mL浓度为80mg/L的亚甲基蓝(MB)溶液中，黑暗条件下搅拌30分钟达到吸脱附平衡后(-30～0min)，在可见光照射下每隔10分钟取样并立即进行磁分离，将催化剂从溶液中除去，测试亚甲基蓝与其初始浓度的比值)。图4是实施例4和对比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物纳米复合材料，其特征是：以石墨烯为基底，金属氧化物纳米颗粒生长在所述石墨烯基底表面，石墨烯量子点作为导电隔板组装在所述金属氧化物纳米颗粒之间。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物纳米复合材料的制备方法，其特征是：(1)将Li、Fe、Mn、Zn、Cu、Ni、Co、Mg、Ca、Ce、La中的任意一种或者两种以上的可溶性的硝酸盐、硫酸盐或者氯化物溶解在乙醇中，使可溶性金属盐的浓度为0.05～1mol/L；(2)配制氧化石墨烯量子点、氧化石墨烯的碱性分散液，其中氧化石墨烯量子点的浓度为0.01～10mg/mL，氧化石墨烯的浓度为0.01～10mg/mL，碱的浓度为0.1～2mol/L；(3)将步骤(1)和步骤(2)所配制的溶液按照金属盐离子与碱的摩尔比1：1～4的比例混合均匀；(4)将步骤(3)的混合溶液在600W功率下微波处理3～20min，所得到的沉淀物过滤、洗涤、干燥得到固体粉末；(5)将步骤(4)得到的固体粉末在氮气氛中300～700℃煅烧1～5小时，获得石墨烯/石墨烯量子点/纳米金属氧化物复合材料。2.一种按照权利要求1所述方法得到的石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物纳米复合材料，其特征是：以石墨烯为基底，金属氧化物纳米颗粒生长在所述石墨烯基底表面，石墨烯量子点作为导电隔板组装在所述金属氧化物纳米颗粒之间。3.根据权利要求2所述的石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物纳米复合材料，其特征是：石墨烯：石墨烯量子点：金属氧化物的质量比为0.01～30：0.01～30：100。4.根据权利要求3所述的石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物纳米复合材料，其特征是：石墨烯的当量直径大小为0.5～50um，石墨烯量子点的当量直径为1～100nm，金属氧化物纳米颗粒的当量直径为1～200nm。5.根据权利要求4所述的石墨烯与石墨烯量子点和金属氧化物纳米复合材料，其特征是：所述金属氧化物为金属Li、Fe、Mn、Zn、Cu、Ni、Co、Mg、Ca、Ce、La中的任意一种或者两种以上氧化物的复合。6.一种石墨烯与石墨烯量子点和金属磷酸盐纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：范壮军，杨德仁，魏彤，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23