一种醇热法制备钴/石墨烯复合材料的方法

日期:2019-03-02 15:11:41

专利名称:一种醇热法制备钴/石墨烯复合材料的方法
技术领域
本发明属于钴/石墨烯复合材料领域,特别涉及一种醇热法制备钴/石墨烯复合材料的方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子按Sp2碳晶格紧密排列形成类似于蜂窝状结构的层状材料,近年来受到科学界的广泛关注。石墨烯的电子运动速度达到光速的1/300,也就是说远远超过了电子在一般导体中的运动速度,许多研究期待通过与石墨烯复合以达到提高材料电性能的目的。此外,它还具有很多优良的性能良好的热传导性能、机械性能、化学稳定性,大的表面积-体积比,这使得它在纳米电子学、传感器、纳米复合材料、电池、超级电容器和氢存储等许多科技领域具有巨大的应用前景。近年来研究者发现,石墨烯基复合材料可以显著提高原材料的电导率、导热性、机械强度等性能。Haegyeom Kim等在Carbon 49 (2011) 3沈_332上报道了低温下搅拌还原制得Co3O4/石墨烯复合物材料,约5. 5nm的Co3O4颗粒附着在石墨烯片上,不仅极大地提高了电极的电导率,还避免了电极因充放电过程中Co3O4体积变化带来的碎裂。Zhong-Shuai Wu 等在ACSNano 4 (2010) 3187-3194上报道了利用硝酸钴和氨水作用得到Co (OH) 2/石墨烯复合物,然后煅烧得到Co3O4/石墨烯复合物,表现出良好的电性能。Hongkun He和Chao Gao 在 ACS ApplMater Inter 2 (2010) 3201-3210 上报道了通过将 FeCl3 和 GO 在 NaOH/DEG 中高温反应合成出狗304/石墨烯复合物,其颗粒直径分布在1. 2 6. 3nm,复合材料显示出良好的电性能和磁性能。研究者对金属单质与石墨烯的复合材料也进行了广泛研究。Yaojuan Hu等在 Electrochimica Acta 56(2010)491-500上报道了用电镀法制得Au/石墨烯纳米结构复合材料,其催化活性明显高于单一使用Au或者石墨烯时的活性。Kileok Kim等在Synthetic Metals 160(2010)2355-2360上报道了通过联氨还原硝酸银、氧化石墨、PVP和APTMS混合溶液来制备银掺杂石墨烯复合材料,制备出Ag-GR/PPy复合材料,测试结果表明Ag纳米颗粒显著提高了 polypyrrole/石墨烯复合物的电化学性能。Sheng Liu等在Journal of Power Sources 195 (2010) 4628-4633中报道了通过电化学还原法制备Pt/可膨胀石墨烯纳米片,直径约为15nm的Pt颗粒均勻分散在石墨烯层中,提高了石墨烯纳米片的电催化性能,稳定性好。Shubin Yang等在ChemSusChem 3 (2010) 236-239上报道了采用平面型金属有机物分子如酞菁钴(CoPc)来获得有机金属/石墨烯复合物,再通过联氨溶液还原得到了 Co/石墨烯复合物,Co的粒径约为7nm。目前制备金属/石墨烯复合物的方法主要存在以下缺陷工艺步骤较多、成本较高。因此寻找一步法制备成本低、结晶好、不易团聚的金属/石墨烯复合材料成为研究的热点。目前未见采用醇热法制备钴/石墨烯复合材料的报道。

发明内容
3
本发明所要解决的技术问题是提供一种醇热法制备钴/石墨烯复合材料的方法, 该方法工艺简单,易于工业化生产;所制备的钴/石墨烯复合材料中钴晶相纯,与石墨烯复合良好,在石墨烯表面与层中分散性好,复合材料电阻率小,磁化强度高,具有良好的应用前景。本发明的一种醇热法制备钴/石墨烯复合材料的方法,包括(1)室温下将氧化石墨分散于乙二醇溶液中,得浓度为0. 5 ang/mL的混合液, 将混合液超声分散30 60min后,加入钴盐、无水乙酸钠和聚乙二醇,搅拌1 2h,形成反应液;其中,钴盐与氧化石墨的质量比为1 1 5 1,无水乙酸钠与钴盐的质量比为 10 1 12 1,聚乙二醇与乙二醇的体积比为1 110 1 550;(2)将上述反应液加入反应釜中,升温至180 210°C,反应8 16h ;将所得产物冷却至室温,离心收集产物,用去离子水和无水乙醇洗涤,烘干即得。所述步骤(1)中的钴盐为六水合硝酸钴。所述步骤(1)中的乙二醇的质量浓度为98^-99.5 ^所述步骤(1)中的聚乙二醇的分子量为200 1000。所述步骤O)中的去离子水洗涤次数为6 8次,无水乙醇洗涤次数为3 5次。所述步骤O)中的烘干温度为40 80°C,时间为12 Mh。通过调节氧化石墨、钴盐的比例,得到不同组成的钴/石墨烯复合材料。本制备方法相对于普通的液相法,磁性纳米颗粒在有机相中更稳定,不易生成杂质相。由于在液相中,磁性纳米粒子因受到溶液离子强烈的静电吸引力的作用极易团聚,因此本方法选用静电稳定性好的无水乙酸钠作为碱性试剂加入,以防止钴的大规模团聚。有益效果(1)本发明工艺简单,对生产设备要求低,易于工业化生产;(2)所制备的钴/石墨烯复合材料中钴结晶性好,与石墨烯复合良好,在石墨烯表面与层中分散性好,复合材料电阻率小,磁化强度高,具有良好的应用前景。


图1为复合材料的X射线衍射图;图2为复合材料的扫描电镜照片;图3为复合材料的磁滞回线图。
具体实施例方式下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1室温下称取55mg氧化石墨分散于^mL乙二醇溶液中,所得混合液超声分散45min 后,加入IlOmg硝酸钴、1200mg无水乙酸钠以及0. 2mL聚乙二醇200,搅拌1. 5h,形成反应液。把反应液加入反应釜中,升温至200°C,反应12h。反应结束,离心收集产物,用去离子水洗涤6次,用无水乙醇洗涤3次,然后将产物在60°C下干燥18h,得到钴/石墨烯复合材料。图1为本实施例所得材料的X射线衍射图,可以看出该复合材料中的纳米颗粒为钴,氧化石墨被还原为石墨烯。图2为本实施例所得材料的扫描电镜照片,钴与石墨烯复合良好, 在石墨烯表面与层中分散性好。图3为本实施例所得材料的磁滞回线图,可以看出所得材料具有良好的磁性能;电阻率测试结果表明该复合材料的电阻率为0. 493 Ω · cm,其具有良好的导电性能。实施例2室温下称取55mg氧化石墨分散于IlOmL乙二醇溶液中,所得混合液超声分散 30min后,加入55mg硝酸钴、550mg无水乙酸钠以及ImL聚乙二醇1000,搅拌lh,形成反应液。把反应液加入反应釜中,升温至180°C,反应16h。反应结束,离心收集产物,用去离子水洗涤8次,用无水乙醇洗涤5次,然后将产物在40°C下干燥Mh,得到钴/石墨烯复合材料。X射线衍射分析表明本实施例合成材料中的纳米颗粒是钴。磁滞回线测试表明所得材料具有良好的磁性能。电阻率测试结果表明该复合材料具有良好的导电性能。实施例3室温下称取55mg氧化石墨分散于55mL乙二醇溶液中,所得混合液超声分散60min 后,加入165mg硝酸钴、1980mg无水乙酸钠以及0. ImL聚乙二醇400,搅拌池,形成反应液。 把反应液加入反应釜中,升温至210°C,反应他。反应结束,离心收集产物,用去离子水、无水乙醇洗涤产物,然后将产物在80°C下干燥12h,得到钴/石墨烯复合材料。X射线衍射分析表明本实施例合成材料中的纳米颗粒是钴。磁滞回线测试表明所得材料具有良好的磁性能。电阻率测试结果表明该复合材料具有良好的导电性能。
权利要求
1.一种醇热法制备钴/石墨烯复合材料的方法,包括(1)室温下将氧化石墨分散于乙二醇溶液中,得浓度为0.5 ang/mL的混合液,将混合液超声分散30 60min后,加入钴盐、无水乙酸钠和聚乙二醇,搅拌1 2h,形成反应液; 其中,钴盐与氧化石墨的质量比为1 1 5 1,无水乙酸钠与钴盐的质量比为10 1 12 1,聚乙二醇与乙二醇的体积比为1 110 1 550;(2)将上述反应液加入反应釜中,升温至180 210°C,反应8 16h;将所得产物冷却至室温,离心收集产物,用去离子水和无水乙醇洗涤,烘干即得。
2.根据权利要求1所述的一种醇热法制备钴/石墨烯复合材料的方法,其特征在于 所述步骤(1)中的钴盐为六水合硝酸钴。
3.根据权利要求1所述的一种醇热法制备钴/石墨烯复合材料的方法,其特征在于 所述步骤(1)中的乙二醇的质量浓度为98% 99.5%。
4.根据权利要求1所述的一种醇热法制备钴/石墨烯复合材料的方法,其特征在于 所述步骤(1)中的聚乙二醇的分子量为200 1000。
5.根据权利要求1所述的一种醇热法制备钴/石墨烯复合材料的方法,其特征在于 所述步骤O)中的去离子水洗涤次数为6 8次,无水乙醇洗涤次数为3 5次。
6.根据权利要求1所述的一种醇热法制备钴/石墨烯复合材料的方法,其特征在于 所述步骤O)中的烘干温度为40 80°C,时间为12 Mh。
全文摘要
本发明涉及一种醇热法制备钴/石墨烯复合材料的方法,包括(1)室温下将氧化石墨分散于乙二醇溶液中,得浓度为0.5~2mg/mL的混合液,将混合液超声分散30~60min后,加入钴盐、无水乙酸钠和聚乙二醇,搅拌1~2h,形成反应液;(2)将上述反应液加入反应釜中,升温至180~210℃,反应8~16h;将所得产物冷却至室温,离心收集产物,用去离子水和无水乙醇洗涤,烘干即得。本发明工艺简单,易于工业化生产;所制备的钴/石墨烯复合材料中钴晶相纯,与石墨烯复合良好,在石墨烯表面与层中分散性好,复合材料电阻率小,磁化强度高,具有良好的应用前景。
文档编号B82Y30/00GK102229425SQ201110077569
公开日2011年11月2日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者张青红, 张飞, 李耀刚, 王宏志 申请人:东华大学


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