一种二硫化钼掺杂线性聚合物修饰石墨烯复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二硫化钼掺杂线性聚合物修饰石墨烯复合材料及其制备方法。本发明专利技术首先制备出1,1'‑双(2,4‑二硝基苯基)‑4,4'‑二氯化联吡啶BDB和氧化石墨烯，接着通过铃木反应制备出线性联吡啶类聚合物修饰的氧化石墨烯，然后通过阴离子交换法将钼酸根交换到线性联吡啶类聚合物上，再通过与硫代乙酰胺共水热硫化得到硫化钼石墨烯复合材料前驱体，最后高温脱硫得到二硫化钼石墨烯复合材料。本发明专利技术基于BDB与钼酸根之间的电荷相互作用得到分散均匀的二硫化钼石墨烯复合材料，本发明专利技术制备方法简单，所制备的材料电化学性能优异，同时具有大规模制备的潜质，可应用于电催化、析氢催化、超级电容器等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功能材料
，涉及一种二硫化钼掺杂线性聚合物修饰石墨烯复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着现代工业的发展和人们生活水平的提高，化石燃料燃烧排放的尾气，氢气作为一种非常有前景的新能源可替代化石燃料，但是它的大规模工业生产制约了其发展。电解水产氢作为一种节能、可循环的制氢工艺逐渐成为了研究热点。目前，常用的催化剂为铂，但是铂的昂贵的造价限制了其应用。因此开发非贵金属催化剂成为了关键。MoS2具有很好的电催化析氢性能，二硫化钼的高催化活性与其结构有很大的关系。二硫化钼的高催化活性与它的高活性有关，而且它具有较强的抗硫中毒能力。另外，有证据表明二硫化钼的催化活性中心主要是位于片层边缘位置暴露的缺硫的三价Mo离子，因此提高边缘面积可以有效地提高催化效率。MoS2片层间较弱的范德华力以及较大的层间距，使其在电化学储氢和锂离子电池等储能领域有着广泛的应用。2004年，A.Geim和K.Novoselov发现了石墨烯，由于独特的物理、化学性质引起了世界范围内的广泛关注。后续对石墨烯材料的研究包括：零维的石墨烯量子点，一维的石墨烯纤维，二维的石墨烯薄膜和三维的石墨烯材料，石墨烯材料实现了点线面整个三维维度的发展。石墨烯凝胶是近几年兴起的三维石墨烯材料，其具有大的比表面积、低密度、高孔隙率(可达到99％)、极好的导热性能及低介电常数等一系列优异性能吸引人们进行广泛研究。石墨烯凝胶的制备是采用还原的方法消除氧化石墨烯片层上的众多官能团，使得到的石墨烯片层发生π-π共轭形成石墨烯凝胶，其制备方法包括：化学还原法―以还原剂(如：水合肼、亚硫酸盐氢钠、维生素C等)还原氧化石墨烯制备石墨烯凝胶；模板法：采用气相沉积法(CVD)将碳源沉积到选定的模板上，再通过后续处理蚀刻除掉模板制备石墨烯气凝胶；水热还原法：清华大学的石高全教授开发的清洁简单制备石墨烯凝胶的方法，利用水热釜中水的自生压力还原氧化石墨烯制备石墨烯凝胶，水热法不添加化学还原剂，操作方法简单，设备需求小，迅速被广泛接受采用。到目前为止，制备纳米二硫化钼有很多方法，大部分方法是根据二硫化钼的多片层结构，比如：机械剥离法、锂离子插层法、电化学锂离子插层法、液相剥离法以及激光细化技术；还有直接通过化学合成法，如溶解热法以及气相沉积法(CVD)。在高温和较高的蒸汽压下结晶而形成物质的方法称为水热(溶剂热)法，在高温高压下有较好溶解性与稳定性的前聚体较适用于此方法，水热法被经常应用于二维层状材料的合成，与物理剥离制备二硫化钼相比，水热合成法更加简单，主要为Mo和S的前聚体进行反应，随后退火处理，水热(溶剂热)法是一种高效的合成纳米二硫化钼的方法。最常用的二硫化钼前聚体硫代钼酸铵((NH4)2MoS4)和钼酸盐(XMoO4)。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种新的二硫化钼掺杂线性聚合物修饰石墨烯复合材料及其制备方法。本专利技术制备方法简单，得到的二硫化钼掺杂线性聚合物修饰石墨烯复合材料具有比表面积大、纳米粒子分散均匀。本专利技术通过离子交换法将钼酸根阴离子交换到聚合物修饰的氧化石墨烯上，然后用硫代乙酰胺对钼酸根进行硫化，最后高温处理得到二硫化钼石墨烯复合材料，该复合材料可用于电催化、析氢催化、超级电容器等领域。本专利技术具体的技术方案通过以下步骤实施：本专利技术提供一种二硫化钼掺杂线性聚合物修饰石墨烯复合材料的制备方法，具体步骤如下：(1)将对硝基氯苯硝化得到2,4-二硝基氯苯；再将2,4-二硝基氯苯和4,4’-联吡啶回流反应，得到1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶BDB；(2)将氧化石墨烯分散到无水乙醇中得到氧化石墨烯分散液，再向其中加入四甲基对苯二胺和1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶BDB，回流24～72h生成沉淀，洗涤、真空干燥得到聚合物修饰的氧化石墨烯；(3)取聚合物修饰的氧化石墨烯分散到钼酸铵饱和溶液中，回流反应，反应结束后，过滤、洗涤、真空干燥得带钼酸根的石墨烯复合材料Mo@GO；(4)将硫代乙酰胺的水溶液和带钼酸根的石墨烯复合材料Mo@GO混合，并调节溶液pH到碱性，得到的混合溶液于水热釜中水热反应，反应结束后，过滤，真空干燥即得到二硫化钼石墨烯复合材料MoS2@GO；(5)取二硫化钼石墨烯复合材料MoS2@GO碳化得到二硫化钼掺杂线性聚合物修饰石墨烯复合碳材料。上述步骤(1)中，硝化时用浓硫酸和发烟硝酸。上述步骤(1)中，2,4-二硝基氯苯和4,4’-联吡啶的质量比为1:500～1:100。上述步骤(2)中，四甲基对苯二胺、1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶BDB和氧化石墨烯的质量比为(0.2～1)：(1～5)：(0.05～1)。上述步骤(3)中，聚合物修饰的氧化石墨烯和钼酸铵饱和溶液的质量体积比为1:5～5:1mg/mL。上述步骤(4)中，硫代乙酰胺和带钼酸根的石墨烯复合材料Mo@GO的质量比为1:2～10:1。上述步骤(4)中，水热反应的温度为150～180℃，水热反应时间为12～20h。上述步骤(5)中，用N2碳化，反应条件为：管式炉中，N2流速50ml/min，以升温速率2～5℃/min升温至800～1000℃保温2～8h，再自然冷却得到二硫化钼掺杂线性聚合物修饰石墨烯复合材料。本专利技术还提供一种上述的制备方法得到的二硫化钼掺杂线性聚合物修饰石墨烯复合材料。和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术以氧化石墨烯(GO)和1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶BDB单体与四甲基对苯二胺为原料，通过氧化石墨烯上的含氧官能团与BDB和四甲基对苯二胺之间的相互作用将二者聚合到氧化石墨烯上，再通过阴离子交换法将钼酸根引入聚合物修饰的石墨烯上，最后通过水热法对钼酸根进行硫化，再退火的到二硫化钼掺杂的石墨烯复合材料。本专利技术利用联吡啶上两个带正电的吡啶氮将钼酸根均匀的分散到聚合物修饰的氧化石墨烯中，最后的到的二硫化物纳米粒分散均匀，颗粒小。此种离子交换法引入目标元素具有分散均匀，比表面积大，电化学性能优异的特点，可用于电化学析氢催化、超级电容器等领域。附图说明图1是二硫化钼石墨烯复合材料的制备过程示意图。图2是聚合物修饰石墨烯扫描电镜图片。图3是聚合物修饰石墨烯复合材料BET图片。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术的技术方案做进一步的描述,但本专利技术的保护范围并不限于下述实施例。本专利技术各实施例中所用的各种原料，如无特殊说明，均为市售。图1是二硫化钼石墨烯复合材料的制备过程示意图。实施例1(1)石墨烯的制备：以325目的石墨粉为原料，采用改进的hummer法制备氧化石墨烯，并以XRD、XPS、AFM等方式表征所得的氧化石墨。(2)2,4-二硝基氯苯的制备：取50g对硝基氯苯倒入2L的圆底烧瓶，磁力搅拌条件下向烧瓶中滴加120ml发烟硝酸使对硝基氯苯全部溶解，然后再滴加20ml浓硫酸反应半小时，待体系冷却至室温后，加入冰水淬灭反应得到黄色固体，再以500ml去离子水洗涤过滤后真空干燥得2,4-二硝基氯苯。(3)BDB的制备：取50ml乙腈至于250ml圆底烧瓶中，再向烧瓶加入2g4，4’-联吡啶和10mg2,4-二硝基氯苯，充分搅拌得到黄本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二硫化钼掺杂线性聚合物修饰石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)将对硝基氯苯硝化得到2,4‑二硝基氯苯；再将2,4‑二硝基氯苯和4,4’‑联吡啶回流反应，得到1,1'‑双(2,4‑二硝基苯基)‑4,4'‑二氯化联吡啶BDB；(2)将氧化石墨烯分散到无水乙醇中得到氧化石墨烯分散液，再向其中加入四甲基对苯二胺和1,1'‑双(2,4‑二硝基苯基)‑4,4'‑二氯化联吡啶BDB，回流24～72h生成沉淀，洗涤、真空干燥得到聚合物修饰的氧化石墨烯；(3)取聚合物修饰的氧化石墨烯分散到钼酸铵饱和溶液中，回流反应，反应结束后，过滤、洗涤、真空干燥得带钼酸根的石墨烯复合材料Mo@GO；(4)将硫代乙酰胺的水溶液和带钼酸根的石墨烯复合材料Mo@GO混合，并调节溶液pH到碱性，得到的混合溶液于水热釜中水热反应，反应结束后，过滤，真空干燥即得到二硫化钼石墨烯复合材料MoS2@GO；(5)取二硫化钼石墨烯复合材料MoS2@GO碳化得到二硫化钼掺杂线性聚合物修饰石墨烯复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种二硫化钼掺杂线性聚合物修饰石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)将对硝基氯苯硝化得到2,4-二硝基氯苯；再将2,4-二硝基氯苯和4,4’-联吡啶回流反应，得到1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶BDB；(2)将氧化石墨烯分散到无水乙醇中得到氧化石墨烯分散液，再向其中加入四甲基对苯二胺和1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶BDB，回流24～72h生成沉淀，洗涤、真空干燥得到聚合物修饰的氧化石墨烯；(3)取聚合物修饰的氧化石墨烯分散到钼酸铵饱和溶液中，回流反应，反应结束后，过滤、洗涤、真空干燥得带钼酸根的石墨烯复合材料Mo@GO；(4)将硫代乙酰胺的水溶液和带钼酸根的石墨烯复合材料Mo@GO混合，并调节溶液pH到碱性，得到的混合溶液于水热釜中水热反应，反应结束后，过滤，真空干燥即得到二硫化钼石墨烯复合材料MoS2@GO；(5)取二硫化钼石墨烯复合材料MoS2@GO碳化得到二硫化钼掺杂线性聚合物修饰石墨烯复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，硝化时用浓硫酸和发烟硝酸。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩生，江新泽，韦焕明，王爱民，蔺华林，陈红艳，常兴，兰国贤，付宁，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31