一种均匀负载纳米粒子的石墨烯复合材料的制备方法

本发明属于碳材料，具体涉及一种均匀负载纳米粒子的石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术：

1、纳米材料由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，具备一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或化学特性，如力学、电学、磁学、热学特性以及表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。这些特性使纳米材料在新能源、生物医学、微波吸收、重金属吸附等领域有着极为广阔的应用前景。

2、纳米材料的易团聚问题一直是制约其性能发挥的关键，利用石墨烯二维材料大的比表面积作为纳米材料的基体是目前改善团聚问题的主要解决方案。传统的石墨烯负载纳米材料的方法，如超声搅拌、化学共沉淀、溶剂热、高温还原等方法均不能有效解决石墨烯和纳米粒子易团聚的问题。

3、利用石墨烯前驱体氧化石墨烯表面丰富的氧化官能团作为反应作用位点，通过官能团与纳米粒子的静电吸附作用实现了纳米粒子在石墨烯表面的均匀负载，再通过还原的方法对石墨烯结构进行恢复，从而实现纳米粒子在石墨烯表面的均匀负载最为常见。

4、然而，上述方法中为恢复石墨烯的良导体作用采用还原的手段，可能会影响纳米粒子的特性(还原过程中，随着温度的升高，纳米粒子因小尺寸效应所具备的高热导率会降低以及晶粒尺寸会生长)，且存在繁琐的步骤，不利于石墨烯纳米粒子制备技术的规模化推广。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种均匀负载纳米粒子的石墨烯复合材料的制备方法。本发明提供的制备方法能够实现纳米粒子在石墨烯表面的均匀负载，且不会影响纳米粒子的特性；同时制备方法简单，具有工业化应用前景。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下方案：

3、本发明提供了一种均匀负载纳米粒子的石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、将石墨烯、纳米粒子与液相分散剂混合，进行密闭高压均质处理，得到均匀负载纳米粒子的石墨烯复合材料；

5、所述密闭高压均质处理的压力为600～1500mpa。

6、优选的，所述密闭高压均质处理的压力以阶梯式升高。

7、优选的，所述密闭高压均质处理包括：将高压调整为800～1000mpa，进行第一次均质；待第一次均质结束后，将高压调整为900～1100mpa，进行第二次均质；待第二次均质结束后，将高压升至1000～1200mpa，进行第三次均质；待第三次均质结束后，将高压升至1100～1300mpa，进行第四次均质；待第四次均质结束后，将高压升至1200～1400mpa，进行第五次均质；待第五次均质结束后，将高压升至1300～1500mpa，进行第六次均质，共计6次。

8、优选的，所述纳米粒子包括金属氧化物纳米粒子、金属氮化物纳米粒子、金属纳米粒子和非金属基纳米粒子中的一种或几种。

9、优选的，所述石墨烯和纳米粒子的质量比为(1～10)：(1～10)；所述石墨烯和纳米粒子的总质量与液相分散剂的体积比为(1～10)mg：(1～100)ml。

10、优选的，所述纳米粒子的晶粒尺度＜500nm。

11、优选的，所述密闭高压均质处理的总时间为30min～3h。

12、优选的，完成所述密闭高压均质处理后，还包括将所得产物进行干燥。

13、优选的，所述干燥包括冷冻干燥、低温真空干燥或二氧化碳干燥。

14、优选的，所述干燥的温度为-60～40℃，时间为24～72h。

15、本发明提供了一种均匀负载纳米粒子的石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：将石墨烯、纳米粒子与液相分散剂混合，进行密闭高压均质处理，得到均匀负载纳米粒子的石墨烯复合材料；所述密闭高压均质处理的压力为600～1500mpa。

16、本发明通过高压(600～1500mpa)实现石墨烯与纳米粒子团聚体的充分解离，从而促进石墨烯表界面缺陷位点与纳米粒子的静电吸附作用，进而完成纳米粒子在石墨烯表面的均匀负载。

17、本发明通过对限制在有限的密闭空间内的液体进行施压，产生强大的剪切效应、撞击效应和空穴效应，迫使纳米粒子团聚体和石墨烯达到有效解离、分散和细化；此外，本发明中石墨烯材料在狭窄的腔体和高压环境中，受到水压气流的冲击以及伴随的热效应(背景技术中还原过程中温度稳定并持续升高，且纳米颗粒通过高温还原，温度一般较高，纳米晶粒的小尺寸效应需要一个相对恒定的温度环境；而本发明中的热效应温度是短暂性的升高，且又恢复到初始状态)，造成石墨烯的结构形态发生改变，不仅导致石墨烯团聚体的内部展开，并且会造成石墨烯结构的撕裂以及表面缺陷位点的增加，从而使得石墨烯表界面形成更为丰富的作用位点与同时充分解离的游离环境中的纳米粒子产生静电相互作用，实现纳米材料的均匀负载。本发明提供的制备方法由于未使用还原手段不会影响纳米粒子的特性。

18、本发明利用简单的液相高压法，一步实现石墨烯与纳米粒子的均匀分散与负载，因直接采用石墨烯为原料无后续处理步骤，很大程度节省时间能源成本，是一种具有工业化应用前景的制备方法。

技术特征：

1.一种均匀负载纳米粒子的石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述密闭高压均质处理的压力以阶梯式升高。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述密闭高压均质处理包括：将高压调整为800～1000mpa，进行第一次均质；待第一次均质结束后，将高压调整为900～1100mpa，进行第二次均质；待第二次均质结束后，将高压升至1000～1200mpa，进行第三次均质；待第三次均质结束后，将高压升至1100～1300mpa，进行第四次均质；待第四次均质结束后，将高压升至1200～1400mpa，进行第五次均质；待第五次均质结束后，将高压升至1300～1500mpa，进行第六次均质，共计6次。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米粒子包括金属氧化物纳米粒子、金属氮化物纳米粒子、金属纳米粒子和非金属基纳米粒子中的一种或几种。

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯和纳米粒子的质量比为(1～10)：(1～10)；所述石墨烯和纳米粒子的总质量与液相分散剂的体积比为(1～10)mg：(1～100)ml。

6.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述纳米粒子的晶粒尺度＜500nm。

7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述密闭高压均质处理的总时间为30min～3h。

8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，完成所述密闭高压均质处理后，还包括将所得产物进行干燥。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述干燥包括冷冻干燥、低温真空干燥或二氧化碳干燥。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为-60～40℃，时间为24～72h。

技术总结本发明提供了一种均匀负载纳米粒子的石墨烯复合材料的制备方法，属于碳材料技术领域。本发明提供了一种均匀负载纳米粒子的石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：将石墨烯、纳米粒子与液相分散剂混合，进行密闭高压均质处理，得到均匀负载纳米粒子的石墨烯复合材料；所述密闭高压均质处理的压力为600～1500MPa。本发明通过高压(600～1500MPa)实现石墨烯与纳米粒子团聚体的充分解离，从而促进石墨烯表界面缺陷位点与纳米粒子的静电吸附作用，进而完成纳米粒子在石墨烯表面的均匀负载。技术研发人员：杨娟,贵玉洁,陈璐,杨兵军,张旭,马鹏军受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/18