一种石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料的制备方法技术

一种石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料的制备方法属于复合材料领域。紫外光照射氧化石墨烯和乙二醇钛混合分散液的方法制备了一种复合材料，用于高性能电容吸附脱盐。二氧化钛纳米颗粒均匀负载于石墨烯片层上，其中二氧化钛具有低毒性、良好的稳定性、高双电层比电容的特点，使其成为电容吸附脱盐的理想材料，石墨烯提供良好的导电性和大的比表面积，并且防止二氧化钛纳米颗粒的团聚。通过对材料的结构和电容吸附脱盐性能的表征可以发现，本专利所述的石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料具有较大的比表面积、较高的双电层比电容以及良好的氯化钠吸附性能。

Preparation of a graphene / titanium dioxide nanoparticle composite

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料的制备方法
：本专利技术属于复合材料领域，涉及无机复合材料，特别是一种石墨烯负载二氧化钛纳米颗粒形成的无机复合材料。
技术介绍
随着人口不断增加，全球对饮用水的需求也随之增加，水污染和淡水资源短缺是人类面临的最大威胁之一。目前，许多地区利用海水淡化技术为当地生产、生活提供淡水。然而，大部分成熟的海水淡化技术，如蒸馏、电渗析和反渗透等，都是高能耗、低产出并且依赖于昂贵的基础设施，这些弊端大大限制海水淡化技术在发展中国家的应用。因此，开发低成本、设备简单、操作便利的海水淡化技术是目前面临的重要挑战。在新兴的海水淡化方法中，电容吸附脱盐技术是众望所归的。石墨烯具有电子电导率高、比表面积大、物理化学稳定性好等特点，广泛用于高效电化学体系。此外，不同于其他无定形或一维碳材料，石墨烯纳米片易于自组装形成三维网络结构，不仅在溶液中提供大量用于扩散的孔，而且还为功能性无机物的生长和锚定提供了大量负载位点。金属氧化物的结合将显著提高石墨烯材料的电容。二氧化钛具有低毒性、良好稳定性和高介电常数的特点，在石墨烯/金属氧化物纳米复合材料方向有很好的发展前景。本专利基于上述几点，利用简单的紫外光照法，制备了二氧化钛纳米颗粒负载的石墨烯材料，提升了电容吸附氯化钠性能。前驱体乙二醇钛在紫外光照条件下可发生水解，生成含有正三价钛离子的无定形二氧化钛；氧化石墨烯纳米片上下表面都含有大量电负性的含氧官能团(如羟基，环氧和羧基等)，为含有正三价钛的无定形二氧化钛提供生长位点，生成氧化石墨烯/二氧化钛颗粒纳米复合物。热处理后，二氧化钛由无定型转化为锐钛矿相，氧化石墨烯转化为还原氧化石墨烯。锐钛矿相二氧化钛纳米颗粒均匀负载于还原氧化石墨烯层形成的纳米复合物，通过调节实验参数，可以控制二氧化钛纳米颗粒直径在5nm以下，从而提供更高的比表面积，石墨烯具有很好的导电性并且防止二氧化钛纳米颗粒的团聚。利用循环伏安法测定不同条件下制备的复合材料的比电容为19.7-63.7Fg-1，远高于石墨烯的比容量9.5Fg-1。在电容吸附氯化钠实验中，石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料的吸附容量在7.6-12.6mgg-1，经过5次吸附-清洗过程，吸附容量保持初始容量的90％以上。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于介绍一种简便的制备石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料的方法。通过工艺参数控制，调节二氧化钛纳米颗粒大小及比电容。在电容吸附脱盐领域，依照本专利技术所制备的石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料有较高的比电容和氯化钠吸附容量。本专利技术实现目的的技术方案如下：一种简便的石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料的制备方法，其特征在于：在紫外光照射的条件下，二氧化钛纳米颗粒均匀负载于石墨烯纳米片上形成纳米复合物，通过调节实验参数，可以控制二氧化钛纳米颗粒直径，石墨烯具有很好的导电性并且防止二氧化钛纳米颗粒的团聚，可以提供超高的比电容及吸附容量。所述复合材料的制备包括以下步骤：(1)Hummers’法制备氧化石墨烯：采用天然石墨作为原料，将5g天然石墨，5g硝酸钠，150mL浓硫酸加入三口烧瓶中，冰浴搅拌下加入15g高锰酸钾，35℃保持6h，加入200mL水，升温至90℃保持30min，加入双氧水，静置后水洗离心至中性。将得到的氧化石墨泥浆冷冻干燥，重新分散在去离子水中，超声30min，得到氧化石墨烯分散液。(2)乙二醇钛的制备：在三口烧瓶中加入200mL乙二醇，搅拌下加入20mL钛酸丁酯，160℃回流3h,冷却至室温，得到的白色固体为乙二醇钛。用去离子水洗涤6次，干燥后得到乙二醇钛。(3)紫外光照法制备石墨烯二氧化钛纳米颗粒复合材料：将5-600mg乙二醇钛加入30mL2mgmL-1氧化石墨烯分散液中，超声30min。氧化石墨烯/乙二醇钛分散液在50-600W紫外光下照射0.1-30h。得到的分散液用去离子水洗涤3次，冷冻干燥。将制备的石墨烯/无定型二氧化钛中间产物在管式炉中热处理(250-800℃，0.1-6h，真空)，即可得到石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料。附图说明图1是石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料的扫描电镜照片图2是石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料的透射电镜照片图3是石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料的XRD图4是纯石墨烯电极和石墨烯/二氧化钛电极的循环伏安曲线图5是石墨烯/二氧化钛电极的电容吸附性能图6是石墨烯/二氧化钛电极的吸附循环性能具体实施方式下面通过具体实施实施例对本专利技术作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利技术的保护范围。实施例1：将5g天然石墨，5g硝酸钠，150ml浓硫酸(质量浓度为98％)加入三口烧瓶中，冰浴搅拌下加入15g高锰酸钾，35℃保持6h，加入200ml水，升温至90℃保持30min，加入双氧水，静置后水洗离心至中性。得到的氧化石墨泥浆冷冻干燥，将60mg氧化石墨烯重新分散在30ml去离子水中，超声30min，得到2mg/mL氧化石墨烯分散液。在三口烧瓶中加入200mL乙二醇，搅拌下加入20mL钛酸丁酯，160℃回流3h,冷却至室温，得到的白色固体为乙二醇钛。用去离子水洗涤6次，干燥后得到乙二醇钛。将80mg乙二醇钛加入30mL2mgmL-1氧化石墨烯分散液中，超声30min。氧化石墨烯/乙二醇钛分散液在250W紫外光下照射2h。得到的分散液用去离子水洗涤3次，冷冻干燥。将制备的石墨烯/无定型二氧化钛中间产物在管式炉中热处理(500℃，2h，真空)，即可得到石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料。制备石墨烯/二氧化钛电极：将50mg石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料分散在5mL乙醇中，超声10分钟。将分散液滴到6cm*6cm镍泡沫上，140℃干燥12h。循环伏安测试步骤：将所制备的电极作为工作电极，铂片作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，利用电化学工作站进行循环伏安测试，电解液为0.1M氯化钠溶液。其中电压的扫描范围为0.8-0V，扫描速率为50mV/s，利用循环伏安法测定复合材料的比电容为60.5Fg-1。电容吸附测试步骤：将电极组装成电容吸附装置，并用厚度为2mm的硅橡胶密封垫隔开两个电极。用蠕动泵将氯化钠溶液(0.1M)从烧杯中连续加入电容吸附装置中，流出溶液返回到烧杯中，并将流速设定为10mL/min,溶液体积为60mL。氯化钠溶液的浓度由离子电导率仪连续测量。根据电容吸附氯化钠实验，石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料的最高吸附容量为12.6mgg-1。实施例2：2mg/mL氧化石墨烯分散液以及乙二醇钛的制备过程同实施例1。将5mg乙二醇钛加入30mL2mgmL-1氧化石墨烯分散液中，超声30min。氧化石墨烯/乙二醇钛分散液在50W紫外光下照射2h。得到的分散液用去离子水洗涤3次，冷冻干燥。热处理过程同实施例1。石墨烯/二氧化钛电极的制备，循环伏安测试步骤、电容吸附测试步骤同实施例1。利用循环伏安法测定复合材料的比电容为19.7Fg-1，根据电容吸附氯化钠实验，石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料的最高吸附容量为7.6mgg-1。实施例3：2mg/mL氧化石墨烯分散液以及乙二醇钛的制备过程同实施例1。将80mg乙二醇钛加入30mL2mgmL-1氧化石墨烯分散液中，超声30min。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料的制备方法，其特征在于：在紫外光照的条件下，生成二氧化钛颗粒/石墨烯/二氧化钛颗粒的三明治结构纳米复合物，其中二氧化钛颗粒大小和负载量可控，调节范围分别为3‑20nm，10‑90wt％；具体包括以下步骤：(1)将5‑600mg乙二醇钛加入30mL 2mg mL

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/二氧化钛纳米颗粒复合材料的制备方法，其特征在于：在紫外光照的条件下，生成二氧化钛颗粒/石墨烯/二氧化钛颗粒的三明治结构纳米复合物，其中二氧化钛颗粒大小和负载量可控，调节范围分别为3-20nm，10-90wt％；具体包括以下步骤：(1)将5-600mg乙二醇钛加入30mL2mgmL-1氧化石墨烯分散液中，超声30min；(2)氧化石墨烯/乙二醇钛分散液在50-600W的紫外光下照射0.1-30h；得到的分散液用去离子水洗涤，冷冻干燥；(3)将步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨冬芝，俞若梦，于中振，史永正，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11