本发明专利技术涉及一种超薄氧化钛纳米片负载的石墨烯复合纳米材料及其制备方法。本发明专利技术以氧化石墨烯和钛酸四丁酯（TBOT）为原材料，纯水为溶剂，四丙基氢氧化铵（TPAOH）为碱源，3‑氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）作为晶化助剂，采用简单的水热合成法，得到形貌均一的片状TiO2/石墨烯复合纳米材料。在该材料中，锐钛矿晶相的超薄氧化钛纳米片均匀生长于石墨烯表面，形成一种独特的纳米结构。所得材料在环境治理和新能源等领域具有潜在的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种超薄氧化钛纳米片负载的石墨烯复合纳米材料及其制备方法。
技术介绍
伴随着现代科技的快速发展，环境污染和能源短缺已成为全球范围内最值得关注的热点问题。以丰富清洁的太阳能为能源的半导体光催化技术，因其绿色和节能等特点，吸引了广泛关注。在这些半导体金属氧化物材料中，二氧化钛是一种非常有潜力的重要材料之一，由于其具有低成本、高活性和稳定性好等诸多优点，广泛应用于太阳能电池、光催化、锂离子电池、气体传感器和药物传输等领域。然而，在实际应用中，二氧化钛本身相对较差的电荷传输性能和宽的禁带（∼3.2 eV）限制了其进一步的发展。因此，为了改善和提高其性能，很多努力已被做出，如降低粒径尺寸，合成纳米结构的氧化钛，或者构筑一些复合结构，如金属纳米粒子掺杂，半导体异质结构和碳复合材料等。特别地，与碳纳米材料的复合，被认为是当前非常有效的方式。而石墨烯独特的二维结构、较大的比表面积、优异的导电性及极好的化学稳定性也使其成为制备复合材料非常理想的载体，可以较大程度地提高复合材料的性能。尽管二氧化钛/石墨烯复合材料的制备和应用都已取得了一定的进展，然而仍有几个问题严重影响了其性能：1）合成过程中二氧化钛易团聚的现象极大的降低了材料的比表面积，且增加了光子、电子等反应过程中粒子的传输距离，导致性能降低；2）二氧化钛不可避免的随机生长会造成石墨烯活性位点利用不足，导致两者协同作用减弱；3）有些合成过程较为复杂，甚至还需要大量的昂贵的化学试剂等，导致高的生产成本。因此，如何简单有效地制备特定形貌的二氧化钛均匀负载的石墨烯复合纳米材料具有非常重要的研究意义。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种超薄氧化钛纳米片负载的石墨烯复合纳米材料。本专利技术的目的之二在于提供该复合纳米材料的制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种超薄氧化钛纳米片负载的石墨烯复合纳米材料，其特征在于：该材料由超薄的TiO2纳米片均匀生长于石墨烯上，形成一种独特的纳米结构，所述的超薄的TiO2纳米片的厚度为：6 nm。一种制备上述的超薄氧化钛纳米片负载的石墨烯复合纳米材料的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：a.将氧化石墨烯，加入到去离子水中，配制成浓度为0.0625 mol/L的混合溶液；加入3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES），搅拌1～3 h；再将钛酸四丁酯（TBOT）逐滴滴入上述溶液，继续搅拌0.5～1 h；加入四丙基氢氧化铵（TPAOH）继续搅拌0.5～1 h；所述的还原氧化石墨烯、3-氨丙基三乙氧基硅烷、钛酸四丁酯、四丙基氢氧化铵的摩尔比为：1: 0.076~0.304: 0.11~0.19 : 0.03~0.06；b.将步骤a所得混合溶液在140～180 ℃条件下反应12～24 h；反应完成后，经离心、洗涤、烘干，得到黑色粉末产品；c.将步骤b所得黑色粉末产品在惰性气氛中，650～850 ℃条件下煅烧2～4 h，即得二氧化钛/石墨烯复合纳米材料。本专利技术以钛酸四丁酯（TBOT）和热解还原的氧化石墨烯为主要原料，在3-氨丙基三乙氧基硅烷和四丙基氢氧化铵的共同作用下，制备出具有均一形貌的TiO2/graphene复合纳米材料。本专利技术方法具有操作简单，反应条件可控等优点。通过此法制备的复合纳米材料具有超薄氧化钛纳米片分布均匀和结晶良好的特点。本专利技术工艺过程中，通过3-氨丙基三乙氧基硅烷对石墨烯氨基化修饰，随后钛酸四丁酯在四丙基氢氧化铵提供的碱性条件下水解生长成超薄氧化钛纳米片，最后通过与氨基化的石墨烯的相互静电作用下竖直均匀生长在还原的氧化石墨烯表面上，形成一种具有独特纳米结构的复合材料。与现有技术相比，本专利技术技术具有以下显著优点：工艺简单，条件温和；制得的复合纳米材料形貌均一且分散性良好，在环境的污染治理和新能源等领域具有一定的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例1中所得TiO2/graphene复合纳米材料的XRD谱图。图2为本专利技术实施例1中所得TiO2/graphene复合纳米材料的SEM图片。图3为本专利技术实施例1中所得TiO2/graphene复合纳米材料的TEM图片。具体实施方式所有实施例均按上述技术方案的操作步骤进行操作。本专利技术所使用的氧化石墨烯的制备方法请参见J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 5856-5857。具体如下：首先按现有已知技术制取石墨烯：先将石墨粉溶于浓硫酸，再用过硫酸钾（K2S2O8）和的五氧化二磷（P2O5）等材料对其进行预氧化处理。再将一定量的高锰酸钾（KMnO4）研磨充分在冰浴条件下对石墨进行充分氧化。最后用稀盐酸溶液进行酸洗处理以及多次水洗处理后即可得到石墨烯氧化物。上述制备的石墨烯氧化物通过高温热解即可制备还原氧化石墨烯纳米片。实施例1a.称取30 mg热解还原的氧化石墨烯加入到40 mL去离子水中超声2 h，使其分散均匀；b.向上述a溶液中加入176 μL 3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）溶液，继续搅拌1 h；c.用移液枪移取265μL钛酸四丁酯逐滴加入上述溶液，常温下继续搅拌1h，再加入123 μL 四丙基氢氧化铵于上述溶液中，持续搅拌1h；d.将反应后的混合溶液倒入带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在180℃条件下反应24 h；e.反应完成后，将产物从反应釜中取出，用去离子水和乙醇反复洗涤、离心后，在60 ℃下烘干并于氮气氛围中750 ℃煅烧2 h，即得本专利技术制备的TiO2/graphene复合纳米材料。将所制得的样品进行物性表征，其部分结果如附图所示。由结果可知，所得氧化钛纳米片是锐钛矿晶相，且大量超薄二氧化钛纳米片均匀生长于还原氧化石墨烯上，形成了一种独特的网状纳米结构。实施例2本实施例的制备过程和步骤与实施例1基本相同，不同的是在于b步骤：向上述a溶液中加入88 μL 3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）溶液，继续搅拌1 h。所得结果与实施例1基本相似，不同在于得到的超薄二氧化钛纳米片不能很好的负载在石墨烯表面上，而且有少量处于游离状态。实施例3本实施例的制备过程和步骤与实施例1基本相同，不同的是在于c步骤：用移液枪移取331 μL钛酸四丁酯逐滴滴入上述溶液，常温下搅拌1 h，再加入123 μL 四丙基氢氧化铵于上述溶液中，搅拌均匀。所得复合材料中，氧化钛纳米片堆积现象比较严重，且不能完全负载在石墨烯上。对比例1本实施例的制备过程和步骤与实施例1基本相同，不同的是在于b步骤：未加入3-氨丙基三乙氧基硅烷。所得结果与实施例1差别较大，不同在于得到的是二氧化钛团聚严重，形貌不均一，且二氧化钛大量游离于石墨烯外。对比例2本实施例的制备过程和步骤与实施例1基本相同，不同的是在于c步骤：用移液枪移取265 μL钛酸四正丁酯逐滴滴入上述溶液，常温下继续搅拌1 h，未加入四丙基氢氧化铵于上述溶液中。所得结果与实施例1差别较大，不同在于得到的二氧化钛纳米片团聚现象严重。参见附图，图1为本专利技术实施例1所得TiO2/graphene复合纳米材料的XRD谱图。XRD分析：在日本RigaKu D/max-2550型X射线衍射仪上进行；采用CuKα衍射。从图1 可知，煅烧后的TiO2/graphene样品衍射峰的出峰位置与标准谱图（JCPDF N本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超薄氧化钛纳米片负载的石墨烯复合纳米材料，其特征在于：该材料由超薄的TiO2纳米片均匀生长于石墨烯上，形成独特的纳米结构，所述的超薄的TiO2纳米片的厚度约为 6 nm。
【技术特征摘要】
1.一种超薄氧化钛纳米片负载的石墨烯复合纳米材料，其特征在于：该材料由超薄的TiO2纳米片均匀生长于石墨烯上，形成独特的纳米结构，所述的超薄的TiO2纳米片的厚度约为 6 nm。2.一种制备根据权利要求1所述的超薄氧化钛纳米片负载的石墨烯复合纳米材料的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：将氧化石墨烯，加入到去离子水中，配制成浓度为0.0625 mol/L的混合溶液；加入3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES），搅拌1～3 h；再将钛酸四丁酯（TBOT）逐滴滴入上述溶液...
【专利技术属性】
技术研发人员：张海娇，顾岚冰，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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