本发明专利技术涉及一种以多金属氧簇作为电催化剂来还原氧化石墨烯并制备石墨烯与多金属氧簇复合材料的方法，所制备的复合材料是具有多孔结构的粉体材料，在催化、锂离子电池和电化学电容器的电极材料等方面具有潜在的应用价值。包括氧化石墨烯的制备、氧化石墨烯与多金属氧簇混合液的制备、多金属氧簇电化学还原氧化石墨烯、石墨烯与多金属氧簇复合材料的分离处理等四个步骤。电子首先从工作电极转移到多金属氧簇，多金属氧簇得到电子被还原为杂多蓝；然后电子从杂多蓝传递给氧化石墨烯，使氧化石墨烯被还原，同时杂多蓝失去电子而变回初始态的多金属氧簇。在还原过程中，多金属氧簇可自发吸附到生成的石墨烯表面，形成石墨烯与多金属氧簇复合材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于化工与材料领域，具体涉及一种以多金属氧簇作为电催化剂来还原氧化石墨烯并制备石墨烯与多金属氧簇复合材料的方法，所得材料在催化、锂离子电池和电化学电容器的电极材料等方面具有潜在的应用价值。
技术介绍
石墨烯是一种新型的二维纳米碳材料，它是由SP2杂化的碳原子以六边形排列形成周期性蜂窝状结构的单层原子晶体，厚度仅为0. 35nm，是已知的最薄的二维材料(A. K. Geim, K. S. Novoselov, Nat. Mater. , 2007,6,183)。石墨烯特殊的单原子层结构使其具有许多优异性质，例如石墨烯是目前世界上强度最高的材料(杨氏模量 ITPa)(C. Lee, X. Wei, J. ff. Kysar, J. Hone, Science，2008，321，385)，理论比表面积高达 2630m2/g (M. D. Stoller, S. Park, Y. Zhu, J. An, R. S. Ruoff，Nano. Lett.，2008，8，3498)，同时具有良好的导热性( 5000Wm 1K 丨)(A. A. Balandin, S. Ghosh, ff. Bao, I. Calizo, D. Teweldebrhan，F.Miao,C.N.Lau, Nano. Lett. ,2008,8,902)和高速的载流子迁移率(200000cm2VH(S. V. Morozov, K. S. Novoselov, M. I. Katsnelson, F. Schedin, D. C. Elias, J. A. Jaszczak,A. K. Geim, Phys. Rev. Lett. , 2008,100,016602),这些性质使石墨烯在电子、催化、能量存储等领域展现出广阔的应用前景。鉴于石墨烯的众多优异性质，将其与不同功能组分复合，有望获得具有协同性能的复合材料。因此，近年来石墨烯功能复合材料成为国际上的研究热点。2006年美国研究人员报道了首个石墨烯/聚合物复合材料，他们将石墨烯分散到聚苯乙烯中，极大地改善聚苯乙烯的机械、热学和电学性能(S. Stankovich, D. A. Dikin,G.H. B. Dommett, K. M. Kohlhaas, E. J. Zimney, E. A. Stach, R. D. Piner, S. T. Nguyen,R. S. Ruoff, Nature，2006，442，282)。随后，陆续报道了不同类型的石墨烯复合材料，其中石墨烯/无机复合材料的发展尤为迅速。迄今为止，研究者们已经制备了丰富多样的石墨烯/无机复合材料，例如石墨烯/Fe3O4复合材料(H. Cong, J. He, Y. Lu, S. Yu, Small, 2010,6,169)、石墨烯 /CdSe 复合材料(X. Geng, L. Niu, Z. Xing, R. Song, G. Liu, M. Sun, G. Cheng,H.Zhong, Z. Liu, Z. Zhang, L. Sun, H. Xu, L. Lu, L. Liu, Adv. Mater. , 2010, 22,638)、石墨烯 /Co3O4 复合材料(S. Yang, G. Cui, S. Pang, Q. Cao, U. Kolb, X. Feng, J. Maier, K. Miillen,ChemSusChem, 2010, 3, 236)、石墨烯/TiO2 复合材料(H. Zhang, X. Lv, Y. Li, Y. Wang, J. Li,ACSNano, 2010,4, 380)、石墨烯 / 金属纳米粒子复合材料(S. Guo, D. Wen, Y. Zhai, S. Dong,E. Wang, ACS nano, 2010，4，3959)等。在这些材料的制备过程中，通常要解决两个问题第一，通过适当的方法还原石墨烯的前驱体氧化石墨烯；第二，将还原所生成的石墨烯与其他材料复合。多金属氧簇，是一类由前过渡金属原子通过氧配位桥连接而成的单分子无机簇合物，其尺寸可以从0. 5nm到5nm范围内变化，具有丰富的化学组分和形态多样的骨架结构，并在催化、光、电、磁功能材料等方面均展现出优异性质。将多金属氧簇与石墨烯复合，可以把多金属氧簇的催化、电学等性质与石墨烯的高比表面积、化学稳定性、优良导电性等性质相结合，有望开发出新型的催化剂和电极材料。与其他石墨烯/无机复合材料类似，制备石墨烯与多金属氧簇复合材料也需要解决氧化石墨烯的还原与复合的问题。目前，文献中已报道了可以通过常规化学还原(D. Zhou, B. Han, Adv. Funct. Mater.，2010，20，2717)和光化学还原(H. Li, S. Pang, X. Feng, K. Miillen, C. Bubeck, Chem. Commun. , 2010,46,6243 ；H. Li,S. Pang, S. Wu, X. Feng, K. Mullen, C. Bubeck, J. Am. Chem. Soc.，2011，133,9423)的途径来制备石墨烯与多金属氧簇复合材料。但是，化学还原方法涉及易挥发的有毒试剂水合肼，而光化学方法仅适用于小剂量制备，因此开发一种环境友好的、可以宏量制备石墨烯与多金属氧簇复合材料的方法是非常必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种以多金属氧簇作为电催化剂来还原氧化石墨烯制备石墨烯与多金属氧簇复合材料的方法，该方法对常见的多金属氧簇都普遍适用。目前，已有大量文献结果证实多金属氧簇具有优异的电化学性质，可以多次可逆 的得失一个或多个电子而保持结构不变。针对多金属氧簇的这个特点，本专利技术提出以多金 属氧簇为电催化剂来还原氧化石墨烯的新思路。实验原理为在装有氧化石墨烯与多金属氧簇的混合悬浮液的电解池中，电子首先从工作电极转移到多金属氧簇，多金属氧簇由于得到电子被还原为杂多蓝；然后电子再从杂多蓝传递给氧化石墨烯，使得氧化石墨烯被还原，同时杂多蓝由于失去电子而变回初始态的多金属氧簇。在还原过程中，多金属氧簇可自发吸附到生成的石墨烯表面，形成石墨烯与多金属氧簇复合材料。该方法简单易行，所采用的电化学还原手段易于和工业接轨，在宏量制备石墨烯与多金属氧簇复合材料方面具有优势。本专利技术是通过以下技术方案实现的先采用氧化剥离石墨法制备氧化石墨烯，并与多金属氧簇超声搅拌获得混合液；再通过测试多金属氧簇的循环伏安曲线，获得其可逆阴极峰的峰尾电位作为还原电位进行恒电位还原氧化石墨烯；最终将生成的石墨烯与多金属氧簇复合材料分离处理。在电化学还原过程中，多金属氧簇起到了关键作用，一方面起支持电解质的作用；另一方面起电催化剂的作用，将氧化石墨还原成石墨烯。还原发生后，多金属氧簇会自发吸附到生成的石墨烯表面，形成石墨烯与多金属氧簇复合材料。本方法所制备的复合材料是具有多孔结构的粉体材料，在催化、锂离子电池和电化学电容器的电极材料等方面具有潜在的应用价值。本专利技术包括以下技术部分1、氧化石墨烯的制备；2、氧化石墨烯与多金属氧簇混合液的制备；3、多金属氧簇电化学还原氧化石墨烯；4、石墨烯与多金属氧簇复合材料本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电化学还原制备石墨烯与多金属氧簇复合材料的方法，其步骤如下：（1）氧化石墨烯的制备将原料石墨在强酸和强氧化剂条件下，氧化成氧化石墨，再进一步超声剥离得到氧化石墨烯；（2）氧化石墨烯与多金属氧簇混合液的制备在氧化石墨烯的水悬浮液中加入多金属氧簇的水溶液，超声搅拌1～2h，得到氧化石墨烯与多金属氧簇的混合液，整个过程中加冰冷却；混合液中氧化石墨烯的浓度为0.5～2mg/mL，多金属氧簇浓度为10～50mM；（3）多金属氧簇电化学还原氧化石墨烯选取步骤（2）混合液中所使用的多金属氧簇的可逆阴极峰的峰尾电位作为电化学还原电位，在搅速1000～1500rpm、N2流速0.5～1.2L/min条件下，将步骤（2）混合液恒电位还原0.3～5h；（4）石墨烯与多金属氧簇复合材料的分离处理取还原后的混合液，在空气中室温搅拌2～4h直至混合液由蓝色变为无色悬浊液；然后将此悬浊液用200～300nm有机滤膜抽滤，再用5～20mL极性溶剂洗涤以除掉未吸附的多金属氧簇；待无滤液流出后，将滤饼分散在5～50mL易挥发的非极性溶剂中，待非极性溶剂自然挥发后得到体积蓬松的黑色粉末，然后将其置于真空干燥箱中干燥，彻底除尽吸附的溶剂，从而制备得到石墨烯与多金属氧簇复合材料。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王珊，李昊龙，吴立新，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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