CN103435037A - 一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法 - Google Patents

一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法 Download PDF

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刘奇
侯成义
王宏志
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Abstract

本发明涉及一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法，包括：在室温条件下，将氧化石墨、分散剂分散到去离子水中，完全溶解后加入还原剂，油浴加热、搅拌，得到石墨烯溶液；其中氧化石墨和分散剂的质量比为1:5～1:10；将石墨烯和铂的前躯体分别溶解在溶剂中，然后混合，调节pH值为8-12，得到反应液；其中氧化石墨和铂前躯体的质量比为1:1～10:1；将上述反应液进行油浴加热0.5h-4h至110-120℃，保温2h-8h，然后抽滤、冷冻干燥，即得。本发明的制备方法简单，对生产设备要求低；本发明所制备的石墨烯/Pt复合材料中Pt颗粒尺寸小、不易团聚、与石墨烯复合良好、在石墨烯表面与层中分散性好。

Description

一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法
技术领域
本发明属于石墨烯/Pt纳米复合材料的制备领域，特别涉及一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法。
背景技术
石墨烯是2004年被发现的一种新型二维平面碳纳米材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富且新奇的物理性能。过去几年里，石墨烯已经成为了备受瞩目的研究热点。研究表明，石墨烯具有超薄、超坚固和超强导电性能等特性，可望在纳米电子器件、复合材料、能量存储以及生物医学等领域获得广泛应用。
近年来研究者发现，石墨烯基复合材料可以显著提高复合物的硬度、电导率等性能。G.Williams等在ACS Nano 2(2008)1487-1491上报道了利用TiO2的光催化作用还原氧化石墨制备得到石墨烯/TiO2复合物，2.6～4nm的TiO2颗粒附着在大约2.2nm厚的石墨烯片上。Y.J.Kin等在Applied Physics Letters 95(2009)213101-1-213101-3上报道了利用气相外延法使ZnO纳米棒垂直生长在石墨烯表面。Y.Fan等在Carbon 48(2010)1743-1749上报道了采用机械球磨法制备得到石墨烯/Al2O3复合物粉末，将Al2O3的电导率提高了13～16个数量级。
除此之外，由于铂优异的导电性能以及在太阳能电池领域的重要作用，石墨烯与铂的复合物也逐渐倍受关注。Y.Li等在Electrochem Commun 11(2009)846-849上报道了用一锅法还原氧化石墨和氯铂酸(H2PtCl6)制备了Pt纳米簇装饰的石墨烯纳米片的方法。
目前制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法主要存在以下缺陷：工艺步骤较多、成本较高，而且所制得的Pt纳米颗粒分散性不好。因此寻找一步法制备尺寸小、不易团聚、制备过程较简便的石墨烯/Pt纳米复合材料成为研究的热点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法，该方法制备方法简单，对生产设备要求低；所制备的石墨烯/Pt复合材料中Pt颗粒尺寸小，不易团聚，与石墨烯复合良好、在石墨烯表面与层中分散性好。
本发明的一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法，包括：
（1）在室温条件下，将氧化石墨、分散剂分散到去离子水中，完全溶解后加入还原剂，油浴加热、搅拌，得到石墨烯溶液；其中氧化石墨和还原剂的质量比为1:5～1:10，氧化石墨和分散剂的质量比为1:5～1:10；
（2）将上述石墨烯和铂的前躯体分别溶解在溶剂中，然后混合，调节pH值为8-12，得到反应液；其中步骤（1）中的氧化石墨和铂前躯体的质量比为1:1～10:1；
（3）将上述反应液进行油浴加热0.5h-4h至110-120℃，保温2h-8h，然后抽滤、冷冻干燥，即得石墨烯/Pt纳米复合材料。
所述步骤（1）中分散剂为聚苯乙烯磺酸钠PSS。
所述步骤（1）中还原剂为抗坏血酸VC、水合肼或氢碘酸。
所述步骤（1）中搅拌温度为30-40℃，搅拌时间为12-24h。
所述步骤（2）中铂的前躯体为六水合氯铂酸H2PtCl6·6H2O。
所述步骤（2）中溶剂为乙二醇，浓度为98wt%～99.5wt%。
所述步骤（2）中石墨烯和铂前躯体的溶剂的质量比为8:1。
所述步骤（2）中1M的NaOH溶液调节pH值。
所述步骤（3）中保温为冷凝回流的条件下保温。
本制备方法，采用PSS作为分散剂、抗坏血酸、水合肼或氢碘酸作为还原剂制得的石墨烯溶液分散性好，铂的纳米颗粒在有机溶剂中更稳定，同时调节pH也避免了铂颗粒的大规模团聚。
有益效果
（1）本发明的制备方法简单，对生产设备要求低；
（2）本发明所制备的石墨烯/Pt复合材料中Pt颗粒尺寸小、不易团聚、与石墨烯复合良好、在石墨烯表面与层中分散性好。
附图说明
图1为合成石墨烯/Pt复合材料的透射电镜照片；
图2为合成石墨烯/Pt复合材料的高分辨透射电镜照片；
图3为合成石墨烯/Pt复合材料的高分辨透射电镜照片；
图4为合成石墨烯/Pt复合材料的X射线衍射图。
具体实施方式
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
将80mg氧化石墨(GO)加入到40mL去离子水中，再加入800mg分散剂PSS,在超声波清洗机中超声30分钟使其分散均匀。加入还原剂抗坏血酸（VC）500mg，恒温油浴加热，在40℃的条件下搅拌24小时，得到分散较均匀的石墨烯水溶液。
将石墨烯水溶液和40mg铂的前驱体（氯铂酸H2PtCl6·6H2O）分别加入到53g和6.67g乙二醇中混合均匀，用1M氢氧化钠溶液调节pH值为11，放入油浴锅中加热1h到110℃，在冷凝回流的条件下保温4h后取出，得到石墨烯/Pt分散液。再将其抽滤后冷冻干燥得到石墨/Pt纳米复合材料。图1为本实施例合成石墨烯/Pt复合材料的透射电镜照片，可以看出：铂纳米颗粒均匀地单分散在石墨烯片层上，没有观察到游离在石墨烯之外的铂颗粒。图2,3为本实施例合成石墨烯/Pt复合材料的高分辨透射电镜照片，可以看出：铂纳米颗粒的尺寸约为4nm，晶面间距约为0.22nm。图4为本实施例合成石墨烯/Pt复合材料的X射线衍射图，图中的衍射峰表明：该复合材料中的纳米颗粒为铂。
实施例2
将80mg氧化石墨(GO)加入到40mL去离子水中，再加入600mg分散剂PSS,在超声波清洗机中超声30分钟使其分散均匀。加入还原剂抗坏血酸（VC）400mg，恒温油浴加热，在40℃的条件下搅拌24小时，得到分散较均匀的石墨烯水溶液。
将石墨烯水溶液和40mg铂的前驱体（氯铂酸H2PtCl6·6H2O）分别加入到53g和5.89g乙二醇中混合均匀，用1M氢氧化钠溶液调节pH值为10，放入油浴锅中加热2h到110℃，在冷凝回流的条件下保温5h后取出，得到石墨烯/Pt分散液。再将其抽滤后冷冻干燥得到石墨/Pt纳米复合材料。透射电镜观察表明：铂纳米颗粒均匀地单分散在石墨烯片层上，没有观察到游离在石墨烯之外的铂颗粒。高分辨透射电镜观察表明：铂纳米颗粒的尺寸约为4nm，晶面间距约为0.22nm。XRD测试结果表明：该复合材料中的纳米颗粒为铂。
实施例3
将80mg氧化石墨(GO)加入到40mL去离子水中，再加入400mg分散剂PSS,在超声波清洗机中超声30分钟使其分散均匀。加入还原剂抗坏血酸（VC）600mg，恒温油浴加热，在40℃的条件下搅拌24小时，得到分散较均匀的石墨烯水溶液。
将石墨烯水溶液和40mg铂的前驱体（氯铂酸H2PtCl6·6H2O）分别加入到53g和5.30g乙二醇中混合均匀，用1M氢氧化钠溶液调节pH值为12，放入油浴锅中加热3h到110℃，在冷凝回流的条件下保温6h后取出，得到石墨烯/Pt分散液。再将其抽滤后冷冻干燥得到石墨/Pt纳米复合材料。透射电镜观察表明：铂纳米颗粒均匀地单分散在石墨烯片层上，没有观察到游离在石墨烯之外的铂颗粒。高分辨透射电镜观察表明：铂纳米颗粒的尺寸约为4nm，晶面间距约为0.22nm。XRD测试结果表明：该复合材料中的纳米颗粒为铂。

Claims (9)

1.一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法，包括：
（1）在室温条件下，将氧化石墨、分散剂分散到去离子水中，完全溶解后加入还原剂，油浴加热、搅拌，得到石墨烯溶液；其中氧化石墨和还原剂的质量比为1:5～1:10，氧化石墨和分散剂的质量比为1:5～1:10；
（2）将上述石墨烯和铂的前躯体分别溶解在溶剂中，然后混合，调节pH值为8-12，得到反应液；其中步骤（1）中的氧化石墨和铂前躯体的质量比为1:1～10:1；
（3）将上述反应液进行油浴加热0.5h-4h至110-120℃，保温2h-8h，然后抽滤、冷冻干燥，即得石墨烯/Pt纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法，其特征在于：
所述步骤（1）中分散剂为聚苯乙烯磺酸钠PSS。
3.根据权利要求1所述的一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法，其特征在于：
所述步骤（1）中还原剂为抗坏血酸VC、水合肼或氢碘酸。
4.根据权利要求1所述的一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法，其特征在于：
所述步骤（1）中搅拌温度为30-40℃，搅拌时间为12-24h。
5.根据权利要求1所述的一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法，其特征在于：
所述步骤（2）中铂的前躯体为六水合氯铂酸H2PtCl6·6H2O。
6.根据权利要求1所述的一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法，其特征在于：
所述步骤（2）中溶剂为乙二醇，浓度为98wt%～99.5wt%。
7.根据权利要求1所述的一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法，其特征在于：
所述步骤（2）中石墨烯和铂前躯体的溶剂的质量比为8:1。
8.根据权利要求1所述的一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法，其特征在于：
所述步骤（2）中1M的NaOH溶液调节pH值。
9.根据权利要求1所述的一种液相还原法制备石墨烯/Pt纳米复合材料的方法，其特征在于：
所述步骤（3）中保温为冷凝回流的条件下保温。
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