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CN110201658B - 一种氧化钛纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents

一种氧化钛纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法 Download PDF

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CN110201658B CN201910322335.8A CN201910322335A CN110201658B CN 110201658 B CN110201658 B CN 110201658B CN 201910322335 A CN201910322335 A CN 201910322335A CN 110201658 B CN110201658 B CN 110201658B
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Abstract

本发明公开了一种氧化钛纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法，采用纳米氧化钛颗粒为原料，将纳米氧化钛加入到DMF和水混合溶液中，再加入稀硝酸溶液，在80℃水浴条件下，纳米氧化钛表面产生有机官能团，通过多层石墨烯表面分子力的作用将纳米氧化钛均匀沉积到多层石墨烯表面，最终获得均匀复合的氧化钛纳米颗粒/多层石墨烯复合材料。本发明制备工艺简单，适合工业化生产。

Description

一种氧化钛纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，尤其涉及一种氧化钛纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法。本发明材料在光催化、环境治理、储能等领域具有潜在的应用。
背景技术
纳米TiO2颗粒可以用作催化剂、储能材料和颜料等方面。但纳米TiO2颗粒小、表面积大、易产生团聚而导致失效。因而，将纳米TiO2负载到其它载体上，可以保持TiO2的分散性，提高使用寿命。石墨烯是一种良好的载体，其结构非常稳定，具有优异的电输运性能、机械性能和表面化学性能。
目前，石墨烯与TiO2复合的主要制备方法有原位制备和物理混合法。原位制备主要采用水热法和溶胶凝胶法，溶液中的金属离子被吸附到氧化石墨烯表面，通过加热处理得到复合材料，但目前采用的方法制备效率低。而采用的物理混合法是将纳米TiO2与氧化石墨烯在溶液中通过简单混合搅拌，这种方法得到的纳米TiO2颗粒与石墨烯分散性不高。而且氧化石墨烯的制备成本较高，对环境污染较大。
针对现有技术存在的缺陷，本发明提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。
发明内容
针对背景技术中存在问题，本发明提出一种氧化钛纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法，采用一种简单的制备工艺，将纳米TiO2颗粒均匀分布在多层石墨烯上。
为解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
一种氧化钛纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S10，量取体积比为8:2的DMF和去离子水，混合均匀后作为混合溶剂A；
步骤S20，称取膨胀石墨，加入到混合溶剂A中，超声3小时后获得多层石墨烯分散液C，膨胀石墨相对于溶剂A的浓度为0.5-2mg/mL；
步骤S30，配制2mol/L的稀硝酸溶液，称为B溶液；
步骤S40，称取纳米二氧化钛粉TiO2加入到C溶液中，超声处理4个小时，氧化钛粉相对于A溶剂的浓度为3-6mg/mL；量取B溶液加入到C溶液中，B溶液的体积与A溶剂的体积比为0.5-1:1；将C溶液放入80℃水浴中磁力搅拌反应5-10小时，转速300转/分钟；
步骤S50，C溶液冷却后进行离心清洗，离心清洗采用3次去离子水，3次酒精离心清洗，离心机速度为6000转/分；洗后放置烘箱中70℃干燥24小时，干燥后得到二氧化钛纳米颗粒/多层石墨烯复合材料。
作为进一步的改进方案，多层石墨烯作为基底，纳米TiO2颗粒在多层石墨烯表面均匀分布；其中，TiO2纳米颗粒尺寸在50纳米以下，且TiO2颗粒之间具有空隙。
作为进一步的改进方案，在所述步骤S40中，纳米氧化钛在酸性条件和硝酸根作用下产生一定的水解作用并与硝酸根及DMF产生络合作用，使TiO2表面产生官能团；带有有机官能团的TiO2通过分子力被多层石墨烯吸附并沉积在多层石墨烯表面。
在上述技术方案中，由于多层石墨烯表面的分子力均匀，使纳米氧化钛分布比较均匀。同时，分子力的作用力小，只能吸附少量的纳米氧化钛颗粒，使纳米氧化钛不容易产生堆积。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)纳米TiO2颗粒可通过任何方法得到，包括市场购买，目前纳米TiO2的市售价格不高。
(2)基底多层石墨烯的制备简单，成本低，不需要对多层石墨烯表面进行活化处理即能沉积TiO2纳米颗粒。
(3)由于本发明的制备原理，所得到的纳米TiO2都沉积在多层石墨烯表面，TiO2在多层石墨烯表面分布均匀，TiO2之间具有一定的空隙。具体实现如制备步骤S40。
(4)本发明方法工艺简单，制备效率高，容易控制，便于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1的多层石墨烯上均匀分布的TiO2颗粒的制备方法的步骤流程图；
图2本发明和不加硝酸反应结束经24小时静置后的实物照片对比图
图3为本发明实施例1的多层石墨烯上均匀分布的TiO2颗粒的制备方法的XRD图；
图4为本发明实施例1的多层石墨烯上均匀分布的TiO2颗粒的制备方法的低倍扫描电镜图；
图5为本发明实施例1的多层石墨烯上均匀分布的TiO2颗粒的制备方法的高倍扫描电镜图；
具体实施方式
为了能更好说明本发明的流程和方案，结合附图和实施例对以下发明进行进一步的说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了解决现有技术存在的技术问题，参见图1，所示为本发明提出一种纳米TiO2颗粒均匀分布在多层石墨烯上的制备方法步骤流程图，包括以下步骤：
S10，量取体积比为8:2的DMF和去离子水，混合均匀后作为混合溶剂A。
S20，称取膨胀石墨，加入到混合溶剂A中，超声3小时后获得多层石墨烯分散液C，膨胀石墨相对于溶剂A的浓度为0.5-2mg/mL。
S30，配制2mol/L的稀硝酸溶液，称为B溶液。
S40，称取氧化钛粉加入到C溶液中，超声处理4个小时，氧化钛粉相对于A溶剂的浓度为3-6mg/mL；量取B溶液加入到C溶液中，B溶液的体积与A溶剂的体积比为0.5-1:1；将C溶液放入80℃水浴中磁力搅拌反应5-10小时，转速300转/分钟。
S50，C溶液冷却后进行离心清洗，离心清洗采用3次去离子水，3次酒精离心清洗，离心机速度为6000转/分；洗后放置烘箱中70℃干燥24小时，干燥后得到本发明的氧化钛纳米颗粒/多层石墨烯复合材料。
在上述技术方案中，纳米氧化钛在酸性条件和硝酸根作用下产生一定的水解作用并与硝酸根及DMF产生络合作用，使TiO2表面产生官能团；带有有机官能团的TiO2通过分子力被多层石墨烯吸附并沉积在多层石墨烯表面。由于多层石墨烯表面的分子力均匀，使纳米氧化钛分布比较均匀。同时，分子力的作用力小，只能吸附少量的纳米氧化钛颗粒，使纳米氧化钛不容易产生堆积。
实例化1
8mlDMF和2ml蒸馏水混合均匀后作为混合溶剂A，称取20mg的膨胀石墨加入混合溶剂A中，超声振荡3小时后使膨胀石墨剥离为多层石墨烯均匀分散在溶剂中，获得多层石墨烯分散液。在多层石墨烯分散液中加入60mg市售纳米二氧化钛粉，其直径为40nm。后超声4个小时，再加入10ml浓度为2mol/L的稀硝酸，然后在80℃、300转每分钟转速下水浴搅拌10小时。
冷却后将反应瓶静置10小时的实物照片如图2A所示，可以看到，没有白色TiO2分层出现，说明TiO2已负载到多层石墨烯表面。为考察称硝酸的作用，做一个不加硝酸的对比实验，其静置后的实物照片如图2B所示，可以看到明显的白色分层，该白色分层为最初加入的TiO2，说明，不加入稀硝酸，纳米TiO2不能被吸附到多层石墨烯表面。
将反应后的产物进行3次去离子水，3次酒精的离心清洗，清洗后放置烘箱中70℃干燥24小时后，得到干燥的纳米TiO2颗粒/多层石墨烯复合材料粉末。
将制备得到的复合材料粉末进行XRD测试，结果如图2所示，可以从图中看到多层石墨烯和TiO2的衍射峰，没有发现其它物相，说明制备产物中只有多层石墨烯和TiO2两种物相。
将制备得到的复合材料粉末进行SEM观察，图3为XRD图，图4和图5是不同倍数下的SEM图。从图中可以发现TiO2的颗粒尺寸小，在40nm左右，在多层石墨烯表面分布均匀。
实例化2
8mlDMF和2ml蒸馏水混合均匀后作为混合溶剂A，称取5mg的膨胀石墨加入混合溶剂A中，超声振荡3小时后使膨胀石墨剥离为多层石墨烯均匀分散在溶剂中，获得多层石墨烯分散液。在多层石墨烯分散液中加入60mg二氧化钛粉后超声4个小时，再加入10ml浓度为2mol/L的稀硝酸，然后在80℃、300转每分钟转速下水浴搅拌10小时。冷却后通过离心清洗收集黑色产物，离心清洗采用3次去离子水，3次酒精离心清洗，清洗后放置烘箱中70℃干燥24小时，干燥后得到纳米TiO2颗粒负载在多层石墨烯的复合材料。
实例化3
8mlDMF和2ml蒸馏水混合均匀后作为混合溶剂A，称取15mg的膨胀石墨加入混合溶剂A中，超声振荡3小时后使膨胀石墨剥离为多层石墨烯均匀分散在溶剂中，获得多层石墨烯分散液。在多层石墨烯分散液中加入30mg二氧化钛粉后超声4个小时，再加入5ml浓度为2mol/L的稀硝酸，然后在80℃、300转每分钟转速下水浴搅拌10小时。冷却后通过离心清洗收集黑色产物，离心清洗采用3次去离子水，3次酒精离心清洗，清洗后放置烘箱中70℃干燥24小时，干燥后得到纳米TiO2颗粒负载在多层石墨烯复合材料。
实例化4
8mlDMF和2ml蒸馏水混合均匀后作为混合溶剂A，称取15mg的膨胀石墨加入混合溶剂A中，超声振荡3小时后使膨胀石墨剥离为多层石墨烯均匀分散在溶剂中，获得多层石墨烯分散液。在多层石墨烯分散液中加入45mg二氧化钛粉后超声4个小时，再加入10ml浓度为2mol/L的稀硝酸，然后在80℃、300转每分钟转速下水浴搅拌10小时。冷却后通过离心清洗收集黑色产物，离心清洗采用3次去离子水，3次酒精离心清洗，清洗后放置烘箱中70℃干燥24小时，干燥后得到纳米TiO2颗粒负载在多层石墨烯复合材料。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种氧化钛纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10，量取体积比为8:2的DMF和去离子水，混合均匀后作为溶剂A；
步骤S20，称取膨胀石墨，加入到溶剂A中，超声3小时后获得多层石墨烯分散液C溶液，膨胀石墨相对于溶剂A的浓度为0.5-2mg/mL；
步骤S30，配制2mol/L的稀硝酸溶液，称为B溶液；
步骤S40，称取纳米二氧化钛粉加入到C溶液中，超声处理4小时，纳米二氧化钛粉相对于溶剂A的浓度为3-6mg/mL；量取B溶液加入到上述含有纳米二氧化钛粉的溶液中，B溶液的体积与溶剂A的体积比为0.5-1:1；将得到的溶液放入80℃水浴中磁力搅拌反应5-10小时，搅拌转速300转/分钟；
步骤S50，将步骤S40得到的溶液冷却后进行离心清洗，离心清洗采用3次去离子水，3次酒精离心清洗，离心机速度为6000转/分钟；洗后放置烘箱中70℃干燥24小时，干燥后得到氧化钛纳米颗粒/多层石墨烯复合材料；
多层石墨烯作为基底，氧化钛纳米颗粒在多层石墨烯表面均匀分布；其中，氧化钛纳米颗粒尺寸在50纳米以下，且氧化钛纳米颗粒之间具有空隙。
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