一种石墨烯/四氧化三铁复合材料的制备方法技术

本发明专利技术一种石墨烯/四氧化三铁复合材料的制备方法，即直接在有机溶剂中超声剥离氧化石墨得到氧化石墨烯分散液，再向所得的分散液中添加铁离子盐，由于氧化石墨烯极易与带有正电荷铁离子相结合，得到带正电荷的氧化石墨烯分散液；其次进行电泳沉积，在电泳沉积池中设置有正极片和负极片，将所得的带正电荷的石墨烯分散液作为电泳沉积的电解液，在外加电流的作用下氧化石墨烯和铁离子共同沉积到负极极片上，然后将负极极片置于烘箱干燥，再在惰性气体保护下，高温处理，冷却后在负极极片的表面得到石墨烯/四氧化三铁复合材料。本发明专利技术所制备的石墨烯/四氧化三铁复合材料分布均匀、不含其他杂质。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电化学
，涉及一种纳米材料，具体来说是。
技术介绍
用电化学法复合石墨烯与金属氧化物是一种全新的复合石墨烯与金属氧化物的方法。石墨烯与铁氧化物复合物的制备是近几年研究的热点。从2004年发现石墨烯以来，就引起了科研工作者的广泛关注。石墨烯具有优异的力学、电子、光学以及热学性质，在微电子、能量存储、催化、生物传感器等领域有极大的潜在应用价值。由于其独特的二维纳米结构，使得添加了石墨烯的复合材料往往具有优良的性能。例如，Huang等在Chemical Society Reviews,2012,41 (2): 666-686.上介绍了大量石墨烯复合材料的应用。四氧化三铁因其价格低廉、资源丰富、对环境友好等优点而备受关注。另一方面单一四氧化三铁导电性较差，颗粒容易团聚，碳基体不仅可以缓冲庞大的体积膨胀，但也显著增强了导电性。将纳米四氧化三铁负载于石墨烯表面形成的复合物能够集中体现出两者的优异性能。例如张鍈等在Acta Physico-Chimica Sinica，2011,27(5):1261-1266上报道了利用高温分解法制备了粒径为18nm的Fe304磁性纳米粒子，并进行羧基化修饰，然后与聚乙烯亚胺(PEI)化学修饰的氧化石墨烯进行交联反应，得到磁功能化的氧化石墨稀(MG0)复合材料。Yao等在Chemical Engineering Journal ,2012,184: 326-332上报道了通过调制GO溶液中PH及Fe2+、Fe3+的物质量比，即共沉淀制备出Fe304纳米粒子嵌入的石墨烯复合材料，对甲基蓝的去除具有很好的效果。目前制备石墨烯/四氧化三铁复合材料的方法多以液相化学还原法为主，以氧化石墨烯为原料，添加一定分散剂和铁离子盐，制成均匀分散的悬浮液，使铁离子附着在氧化石墨烯片上，再添加化学还原剂或是利用光的催化性能将氧化石墨烯还原成石墨烯，从而得到石墨烯基纳米复合材料。但是这类方法操作复杂，条件苛刻，反应时间长，不易规模化生产，同时加入的还原剂、分散剂会残留在所制备的材料中，难以彻底去除。
技术实现思路
针对现有技术中的上述技术问题，本专利技术提供了，所述的这种石墨烯/四氧化三铁复合材料的制备方法解决了现有技术中的制备石墨烯/四氧化三铁复合材料的方法操作复杂、条件苛刻、残留物难以彻底去除的技术问题。本专利技术提供了，包括以下步骤: 1)氧化石墨烯分散液制备的步骤； 取氧化石墨和第一有机溶剂，氧化石墨和第一有机溶剂的物料比为0.1?lg: 1L，将氧化石墨加入到第一有机溶剂中，控制温度20-40°C，超声功率150?300W进行超声l-10h得到分散液;所述的第一有机溶剂为1-甲基-2-吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、丁内酯、丙酮或乙醇； 2)制备带电荷氧化石墨烯分散液制备的步骤； 取铁离子盐和第二有机溶剂，铁离子盐和第二有机溶剂的物料比为0.5?lOmol: 1L，将铁离子盐溶于第二有机溶剂中得到铁离子盐溶液;所述的第二有机溶剂为1-甲基-2-吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、丁内酯、丙酮或乙醇;所述的铁离子盐为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁或醋酸铁;将上述所得的铁离子盐溶液加入到步骤(1)中所得的氧化石墨烯分散液中，使铁离子浓度为0.1-5mmol/L，氧化石墨烯固体含量为0.05-0.4g/L，氧化石墨烯吸附铁离子而带正电荷，即得带正电荷的氧化石墨烯分散液； 3)电泳沉积法制备石墨烯/四氧化三铁复合材料的步骤； 在电泳沉积池中设置有正极片和负极片进行电泳沉积，将步骤(2)所得的带正电荷的石墨烯分散液作为电泳沉积的电解液；以铜、铝、镍、不锈钢，或以涂覆铜、铝、镍或不锈钢的导电基底，或以涂覆导电材料的导电基底作为电泳沉积池的正极极片；上述的电泳沉积过程控制正、负极片之间的间距为l-50mm，外加电压为10-100V，电泳沉积过程温度为10-80°C，时间为l-60min，将带正电荷的氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯沉积到负极极片上，然后将负极极片置于烘箱干燥，将所得干燥样品在惰性气体保护下，在200°C_400°C的温度处理l-4h，并在惰性气体中冷却至室温，即在负极极片的表面得到石墨烯/四氧化三铁复合材料。进一步的，步骤(2)中，所述的氧化石墨烯的固体含量为0.2g/Lo进一步的，步骤(3)所述的负极片的导电基底为铜、铝、镍或不锈钢;或为涂覆铜、铝、镍或不锈钢的导电基体;或为非金属导电基体，所述的非金属导电基体为碳纤维纺织品、玻璃碳电极或导电聚合物。进一步的，所述的碳纤维纺织品为碳纤维纸;所述的导电聚合物为聚苯胺。进一步的，步骤(3)中，所通入的惰性气体包括氩气、氮气、或者氪气。进一步的，步骤(3)所述的电泳沉积过程控制正、负极片之间的间距为5_15mm，外加电压为40-60V，电泳沉积过程温度为25-60°C，时间为5-20min。进一步的，步骤(3)所述的电泳沉积过程控制正、负极极片间距为5_15mm，外加电压为40V，电泳沉积过程温度为40°C，时间为lOmin。进一步的，高温处理温度优选300°C，时间3h。本专利技术直接在有机溶剂中超声剥离氧化石墨得到氧化石墨烯分散液，再向所得的分散液中添加铁离子盐，氧化石墨烯由于含有较多的羟基、羧基、环氧基等含氧官能而带有较大的负电性，由于静电作用，极易与带有正电荷铁离子相结合，使氧化石墨烯带电荷;然后采取电泳沉积的方法在导电基体上制备石墨烯/铁氧化物复合材料。本专利技术可以在负极极片即导电基底上可制备石墨烯/四氧化三铁复合材料，沉积可以在3D结构的负极极片即导电基底上进行，因此制备的石墨烯/四氧化三铁复合材料具有多级结构。本专利技术通过调节氧化石墨烯的固体含量和添加铁离子盐的浓度以及沉积过程中的实验条件如间距，沉积电压，沉积时间等，可以控制最终石墨烯同四氧化三铁的含量以及微观形貌、镀层的厚度。所制备的石墨烯/四氧化三铁复合材料分布均匀、不含其他杂质，在催化、光电、生物传感器、储能领域有着潜在的应用价值。同时由于四氧化三铁纳米颗粒均匀地分散在导电性好的纳米石墨片表面，因此不仅有效提高了四氧化三铁的比表面积，也降低了石墨烯/四氧化三铁复合材料的内阻，增强了材料的导电性。本专利技术采用电用沉积技术，在实现氧化石墨和铁离子沉积的同时可实现氧化石墨烯的还原，环境友好，不像传统的采用化学方法对氧化石墨烯进行还原，产生一些有毒气体或引入一些其他元素;其次通过调节相关参数，可实现对镀层厚度的控制及对四氧化三铁颗粒大小和形貌的调控。本专利技术和已有技术相比，其技术进步是显著的。本专利技术采用电泳沉积的方式使四氧化三铁纳米粒子均匀复合在石墨烯层中，四氧化三铁和石墨烯的负载可以避免氧化物的团聚，同时减少石墨烯的石墨化现象。该方法具有操作简单、生产成本低、产品均一性好、易控制等优点，通过该方法获得的复合物在电磁材料、生物传感器、储能材料、药物释放等方面具有广泛的的应用前景。【附图说明】图1是电泳沉积池的结构示意图，其中1为直流电源、2为正极、3为负极、4为电泳池、5为电解液。图2是实施例2得的石墨烯/四氧化三铁复合材料的扫描电镜图。图3是实施例1制备的氧化石墨的Raman光谱图。图4是实施例2得的石墨烯/四氧化三铁复合材料的Raman光谱图。图5是实施例3得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/四氧化三铁复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）氧化石墨烯分散液的制备步骤；取氧化石墨和第一有机溶剂，氧化石墨和第一有机溶剂的物料比0.1~1g:1L，将氧化石墨加入到第一有机溶剂中，控制温度20‑40℃，超声功率150~300W进行超声1‑10h得到分散液；所述的第一有机溶剂为1‑甲基‑2‑吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、丁内酯、丙酮或乙醇；2）带电荷氧化石墨烯分散液的制备步骤；取铁离子盐和第二有机溶剂，铁离子盐和第二有机溶剂的物料比为0.5~10mol:lL，将铁离子盐溶于第二有机溶剂中得到铁离子盐溶液；所述的第二有机溶剂为1‑甲基‑2‑吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、丁内酯、丙酮或乙醇；所述的铁离子盐为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁或醋酸铁；将上述所得的铁离子盐溶液加入到步骤（1）中所得的氧化石墨烯分散液中，使铁离子浓度为0.1‑5mmol/L，氧化石墨烯固体含量为0.05‑0.4g/L，然后超声使氧化石墨烯吸附铁离子而带正电荷，即得带正电荷的氧化石墨烯分散液；3）电泳沉积法制备石墨烯/四氧化三铁复合材料的步骤；在电泳沉积池中设置正极片和负极片进行电泳沉积，将步骤（2）所得的带正电荷的石墨烯分散液作为电泳沉积的电解液；以铜、铝、镍、不锈钢，或以涂覆铜、铝、镍或不锈钢的导电基底，或以涂覆导电材料的导电基底作为电泳沉积池的正极极片；上述的电泳沉积过程控制正、负极片之间的间距为1‑50mm，外加电压为10‑100V，电泳沉积过程温度为10‑80℃，时间为1‑60min，将带正电荷的氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯沉积到负极极片上，然后将负极极片置于烘箱干燥，将所得干燥样品在惰性气体保护下，在200℃‑400℃的温度处理1‑4h，并在惰性气体中冷却至室温，即在负极极片的表面得到石墨烯/四氧化三铁复合材料。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张全生，马可，尹佳佳，张道明，雷天辉，黄海军，张伟，贾李李，张建辉，任桢，郑少明，马建江，陈畅，刘若东，
申请(专利权)人：上海应用技术学院，
类型：发明
国别省市：上海;31