CN104076073A - 一种短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物及其制备方法。所述复合物中纳米氧化锌均匀负载在石墨烯片层表面,呈短棒状,具体的制备方法包括以下步骤:将氧化石墨烯水溶液分散于无水乙醇中,然后进行超声处理,得到均匀的分散液;将表面活性剂聚乙二醇400加入上述分散液中,得到混合液;将Zn(NO3)2·6H2O溶解于无水乙醇中,加入到上述混合液中;调节混合液pH至9~10,然后在密闭反应釜中恒温反应,反应结束后产物经洗涤、干燥得到目标产物。这是一种操作简单的软化学方法,能够制备出具有优异气敏性能的目标产物,在气敏传感器领域具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米复合物及其制备方法,特别是一种短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物及其制备方法。
背景技术
氧化锌是一种重要的半导体材料,由于其独特的电学、光学特性,近年来引起了极大关注。众所周知,气敏性能与材料的形貌,尤其与材料表面积有关。纳米氧化锌材料具有比表面积大、易于制备复合材料等特点,在气敏传感器等领域有广泛的应用前景。例如纳米级的氧化锌对酒精等气体表现出较高的灵敏性,利用这一特性制备的传感器可用于呼气中酒精浓度的检测,防止酒后开车,减少交通事故。但目前氧化锌的检测灵敏度偏低,工作温度偏高,因此,我们需要将氧化锌和其他材料复合,提高其气体敏感性能。
石墨烯是近年来发现新的碳的同素异形体,是一种独特的二维纳米材料。石墨烯具有独特的电子结构、巨大的比表面积和极小的带隙等,使得石墨烯与气体分子间的相互作用可表现出许多特有的现象。将用做气敏材料的无机氧化物与石墨烯复合,会因石墨烯的存在而增大其分散性,为其在气敏传感器等微电子技术和器件的研究提供新思路和新方向。
文献1(Bie L J,Yan X N,Yin J,et al.Nanopillar ZnO gas sensor for hydrogen andethanol[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2007,126(2):604-608.)报道了一种用作乙醇传感器的柱状纳米氧化锌的制备方法。通过二步溶液法得到的柱状纳米氧化锌,在350℃下对1000ppm乙醇气体的灵敏度约为44。
文献2(Jiaqiang X,Yuping C,Daoyong C,et al.Hydrothermal synthesis and gas sensingcharacters of ZnO nanorods[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2006,113(1):526-531.)报道了一种一步溶剂热法制备棒状纳米氧化锌的方法。锌粉和十六烷基三甲基溴化铵分散于去离子水中形成悬浮液,然后在密闭反应釜中182℃反应24h。反应结束后产物经洗涤、干燥得到棒状纳米氧化锌,在332℃下1000ppm乙醇气体的灵敏度约为52。
文献3(Fu D,Han G,Chang Y,et al.The synthesis and properties of ZnO-graphene nanohybrid for photodegradation of organic pollutant in water[J].Materials Chemistry and Physics,2012,132(2):673-681.)报道了一种纳米氧化锌/石墨烯复合物的制备方法,并将其应用于水污染处理方面。将氧化石墨烯水溶液分散于无水乙醇中,加入LiOH·H2O得到混合液;将Zn(CH3COO)2·2H2O溶解于无水乙醇中,80℃下持续搅拌20min后,冷却至50℃,并将上述混合液加入,继续搅拌40min。冷却后加入己烷在4℃下隔夜储存,过滤后经洗涤、干燥得到纳米氧化锌/石墨烯复合物。
上述制备方法存在以下缺陷:1、操作复杂不适用于实际应用;2、纳米氧化锌具有较高的化学活性,表现出明显的表面效应,容易发生聚集而达到稳定状态,从而团聚发生,减少了与气体间的相互作用,导致用于气敏传感器的纳米氧化锌的灵敏度偏低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物及其制备方法,是将纳米氧化锌和石墨烯相复合,应用于气敏传感器。
实现本发明目的的技术解决方案为:
一种短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物,所述的复合物中纳米氧化锌均匀负载在石墨烯片层表面,呈短棒状;所述的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物通过以下方法制备:
步骤一:将氧化石墨烯水溶液分散于无水乙醇中,然后进行超声处理,得到均匀的分散液;
步骤二:将表面活性剂聚乙二醇400加入到步骤一得到的分散液中,得到混合液;
步骤三:将Zn(NO3)2·6H2O溶解于无水乙醇中,然后加入到步骤二的混合液中;
步骤四:调节混合液pH至9~10,然后在密闭反应釜中恒温反应,反应结束后产物经洗涤、干燥得到短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物。
上述反应在持续搅拌条件下进行。
步骤一中氧化石墨烯水溶液的浓度为5~30mg/g,超声时间为10~120min;
步骤一中氧化石墨烯水溶液与步骤三中Zn(NO3)2·6H2O的质量比为1:33~1:3650。
步骤二中聚乙二醇400与体系中无水乙醇的体积比为1:70~1:10。
步骤四中选用NaOH水溶液调节混合液pH值,NaOH水溶液的浓度为0.5~10mol/L。
步骤四中反应釜中反应温度为120~180℃,反应时间为12~48h。
原理说明:
氧化石墨烯表面带负电荷,当Zn(NO3)2·6H2O和氧化石墨烯混合时,带正电的Zn2+由于静电力的作用吸附到氧化石墨烯表面,加入NaOH溶液后,原位形成Zn(OH)2。在后续的热处理过程中,它可以作为核粒子通过奥斯瓦尔德熟化生长,负载上短棒状纳米氧化锌。同时,在短棒状纳米氧化锌形成的同时,氧化石墨烯被乙醇还原成石墨烯,由于短棒状纳米氧化锌的表面吸附,石墨烯片层不会聚集到一起。表面活性剂聚乙二醇400起到了非常重要的作用,显著影响了材料的形貌和结构,用于将纳米氧化锌均匀负载在石墨烯片层表面,制备短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物。
本发明与现有技术相比,有以下显著优点:
(1)所述制备方法通过一步溶剂热法制备,操作简单。
(2)采用聚乙二醇400为表面活性剂,用于将纳米氧化锌均匀负载在石墨烯片层表面,显著影响了材料的形貌和结构。
(3)由于短棒状纳米氧化锌的表面吸附,防止石墨烯片层的团聚,为充分发挥其优异性能奠定了坚实的基础。
(4)石墨烯具有独特的电子结构、巨大的比表面积和极小的带隙等,使得石墨烯与气体分子间的相互作用可表现出许多特有的现象,使得石墨烯与气体分子间的相互作用可表现出许多特有的现象。
(5)将用做气敏材料的无机氧化物与石墨烯复合,会因石墨烯的存在而增大其分散性,为其在气敏传感器等微电子技术和器件的研究提供新思路和新方向,所得短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合材料表现出优异的气敏性能。
(6)本发明制备得到的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物中纳米氧化锌均匀负载在石墨烯片层表面,呈短棒状形态,具有优异气敏性能,在气敏传感器领域具有较好的应用前景。
附图说明
图1是本发明短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物的制备方法的流程示意图。
图2按实施例1反应条件所得短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物在不同放大倍数下的透射电子显微镜(TEM)图。
图3按实施例1反应条件所得短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物在400℃下对不同浓度乙醇的响应恢复曲线图(a)负载3%石墨烯的纳米氧化锌的气敏性能响应恢复曲线图,(b)纳米氧化锌的气敏性能响应恢复曲线图。
图4按实施例1反应条件所得短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物在370℃下对100ppm不同气体的灵敏度图。
图5(a)按对比例1反应条件所得短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物的透射电子显微镜(TEM)图,(b)按对比例2反应条件所得短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物的透射电子显微镜(TEM)图。
具体实施方式
结合图1,本发明一种短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物的制备方法,所述方法采用表面活性剂聚乙二醇400用于将纳米氧化锌均匀负载在石墨烯片层表面,具体包括以下步骤:
步骤一:将氧化石墨烯水溶液分散于无水乙醇中,然后进行超声处理,得到均匀的分散液;氧化石墨烯水溶液的浓度为5~30mg/g,超声时间为10~120min;
步骤二:将表面活性剂聚乙二醇400加入到步骤一得到的分散液中,得到混合液;聚乙二醇400与体系中无水乙醇的体积比为1:70~1:10;
步骤三:将Zn(NO3)2·6H2O溶解于无水乙醇中,然后加入到步骤二的混合液中;步骤一中氧化石墨烯水溶液与步骤三中Zn(NO3)2·6H2O的质量比为1:33~1:3650;
步骤四:NaOH水溶液调节混合液pH至9~10,然后在密闭反应釜中恒温反应,反应温度为120~180℃,反应时间为12~48h,反应结束后产物经洗涤、干燥得到短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物;NaOH水溶液的浓度为0.5~10mol/L。
上述反应在持续搅拌条件下进行。
下面结合实施例、对比例和附图对本发明作进一步详细的说明:
实施例1:
步骤一:将0.7550g氧化石墨烯水溶液(20mg/g)分散于60mL无水乙醇中,搅拌20~60min,然后进行超声处理30min,得到均匀的分散液;
步骤二:将2mL聚乙二醇400加入到步骤一得到的分散液中,搅拌20~60min,得到混合液;
步骤三:将1.7849gZn(NO3)2·6H2O溶解于10mL无水乙醇中,搅拌20~60min,然后加入到步骤二的混合液中,搅拌20~60min;
步骤四:将2.5mol/L的NaOH水溶液加入到步骤三中,调节pH至9~10,然后在密闭反应釜中恒温反应,反应温度180℃,反应时间为12h;反应结束后产物经洗涤、干燥得到短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物。
所得产物的照片如图2所示,短棒状纳米氧化锌均匀的负载在石墨烯片层表面,无大规模团聚现象产生。图2(d)中显示制备的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合材料的晶格间距为0.258nm,有良好的晶型。图3中显示材料对被测气体的敏感度与被测气体浓度有关,气敏性能随着乙醇浓度的升高而提高。在400℃下负载3%石墨烯的纳米氧化锌对1000ppm的乙醇的灵敏度为505,而纳米氧化锌的灵敏度为103,是纳米氧化锌灵敏度的5倍,这表明石墨烯负载短棒状纳米氧化锌高的灵敏度。图4是370℃下掺杂3%石墨烯的ZnO复合纳米材料元件对100ppm不同气体的灵敏度,从灵敏度坐标(横坐标)来分析:该元件对乙醇的灵敏度尤其突出,表现出其类似于在酒驾测试中具有独特的前景,具有很好的气体选择性。
实施例2:
步骤一:将0.8221g氧化石墨烯水溶液(10mg/g)分散于60mL无水乙醇中,搅拌20~60min,然后进行超声处理30min,得到均匀的分散液;
步骤二:将2mL聚乙二醇400加入到步骤一得到的分散液中,搅拌20~60min,得到混合液;
步骤三:将2.9749gZn(NO3)2·6H2O溶解于10mL无水乙醇中,搅拌20~60min,然后加入到步骤二的混合液中,搅拌20~60min;
步骤四:将5mol/L的NaOH水溶液加入到步骤三中,调节pH至9~10,然后在密闭反应釜中恒温反应,反应温度180℃,反应时间为24h;反应结束后产物经洗涤、干燥得到短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物。
由气敏测试计算,该实例得到的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合材料灵敏度为312。
实施例3:
步骤一:将0.1631g氧化石墨烯水溶液(5mg/g)分散于60mL无水乙醇中,搅拌20~60min,然后进行超声处理10min,得到均匀的分散液;
步骤二:将1mL聚乙二醇400加入到步骤一得到的分散液中,搅拌20~60min,得到混合液;
步骤三:将2.9749gZn(NO3)2·6H2O溶解于10mL无水乙醇中,搅拌20~60min,然后加入到步骤二的混合液中,搅拌20~60min;
步骤四:将10mol/L的NaOH水溶液加入到步骤三中,调节pH至9~10,然后在密闭反应釜中恒温反应,反应温度180℃,反应时间为48h;反应结束后产物经洗涤、干燥得到短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物。
由气敏测试计算,该实例得到的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合材料灵敏度为283。
实施例4:
步骤一:将0.6783g氧化石墨烯水溶液(25mg/g)分散于60mL无水乙醇中,搅拌20~60min,然后进行超声处理90min,得到均匀的分散液;
步骤二:将5mL聚乙二醇400加入到步骤一得到的分散液中,搅拌20~60min,得到混合液;
步骤三:将1.4875gZn(NO3)2·6H2O溶解于10mL无水乙醇中,搅拌20~60min,然后加入到步骤二的混合液中,搅拌20~60min;
步骤四:将2.5mol/L的NaOH水溶液加入到步骤三中,调节pH至9~10,然后在密闭反应釜中恒温反应,反应温度160℃,反应时间为24h;反应结束后产物经洗涤、干燥得到短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物。
由气敏测试计算,该实例得到的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合材料灵敏度为164。
实施例5:
步骤一:将0.9015g氧化石墨烯水溶液(30mg/g)分散于60mL无水乙醇中,搅拌20~60min,然后进行超声处理120min,得到均匀的分散液;
步骤二:将7mL聚乙二醇400加入到步骤一得到的分散液中,搅拌20~60min,得到混合液;
步骤三:将0.8925gZn(NO3)2·6H2O溶解于10mL无水乙醇中,搅拌20~60min;然后加入到步骤二的混合液中,搅拌20~60min;
步骤四:将0.5mol/L的NaOH水溶液加入到步骤三中,调节pH至9~10,然后在密闭反应釜中恒温反应,反应温度120℃,反应时间为24h;反应结束后产物经洗涤、干燥得到短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物。
由气敏测试计算,该实例得到的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合材料灵敏度为116。
对比例1:
步骤一:将0.7550g氧化石墨烯水溶液(20mg/g)分散于60mL无水乙醇中,搅拌20~60min,然后进行超声处理30min,得到均匀的分散液;
步骤二:将0.1g十六烷基三甲基溴化铵加入到步骤一得到的分散液中,搅拌20~60min,得到混合液;
步骤三:将1.7849gZn(NO3)2·6H2O溶解于10mL无水乙醇中,搅拌20~60min,然后加入到步骤二的混合液中,搅拌20~60min;
步骤四:将2.5mol/L的NaOH水溶液加入到步骤三中,调节pH至9~10,然后在密闭反应釜中恒温反应,反应温度180℃,反应时间为12h;反应结束后产物经洗涤、干燥得到短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物。
由气敏测试计算,该实例得到的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合材料灵敏度为105。
对比例2:
步骤一:将0.7550g氧化石墨烯水溶液(20mg/g)分散于60mL无水乙醇中,搅拌20~60min,然后进行超声处理30min,得到均匀的分散液;
步骤二:将2mL聚乙二醇4000加入到步骤一得到的分散液中,搅拌20~60min,得到混合液;
步骤三:将1.7849gZn(NO3)2·6H2O溶解于10mL无水乙醇中,搅拌20~60min,然后加入到步骤二的混合液中,搅拌20~60min;
步骤四:将2.5mol/L的NaOH水溶液加入到步骤三中,调节pH至9~10,然后在密闭反应釜中恒温反应,反应温度180℃,反应时间为12h;反应结束后产物经洗涤、干燥得到短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物。
由气敏测试计算,该实例得到的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合材料灵敏度为132。
结论:结合图2和图5的透射电子显微镜(TEM)图,清晰的展示了形成的纳米氧化锌/石墨烯复合物的形态,表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵时,有大量的粒子散落在石墨烯片外面;表面活性剂为聚乙二醇4000时,掺杂不均匀,褶皱处较多,颗粒为卵圆形;表面活性剂为聚乙二醇400时,掺杂在石墨烯上的纳米粒子结构均一,呈棒状。分析可能的原因,十六烷基三甲基溴化铵是阳离子型表面活性剂,会占据Zn2+的生长位点,抑制Zn2+和氧化石墨烯的阴离子活性基团之间的静电作用;相较于聚乙二醇4000,聚乙二醇400分子量较小,和氧化锌晶体的配位能力更强,有利于纳米氧化锌在石墨烯片层表面的分散,并导致纳米氧化锌形貌的改变。
Claims (8)
1.一种短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物,其特征在于,所述的复合物中纳米氧化锌均匀负载在石墨烯片层表面,呈短棒状;所述的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物通过以下方法制备:
步骤一:将氧化石墨烯水溶液分散于无水乙醇中,然后进行超声处理,得到均匀的分散液;
步骤二:将表面活性剂聚乙二醇400加入到步骤一得到的分散液中,得到混合液;
步骤三:将Zn(NO3)2·6H2O溶解于无水乙醇中,然后加入到步骤二的混合液中;
步骤四:调节混合液pH至9~10,然后在密闭反应釜中恒温反应,反应结束后产物经洗涤、干燥得到短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物。
2.根据权利要求1所述的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物,其特征在于:
反应在持续搅拌条件下进行。
3.根据权利要求1所述的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物,其特征在于:
步骤一中氧化石墨烯水溶液的浓度为5~30mg/g,超声时间为10~120min;步骤一中氧化石墨烯水溶液与步骤三中Zn(NO3)2·6H2O的质量比为1:33~1:3650。
4.根据权利要求1所述的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物,其特征在于:步骤二中聚乙二醇400与体系中无水乙醇的体积比为1:70~1:10。
5.根据权利要求1所述的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物,其特征在于:步骤四中选用NaOH水溶液调节混合液pH值,NaOH水溶液的浓度为0.5~10mol/L。
6.根据权利要求1所述的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物,其特征在于:步骤四中反应釜中反应温度为120~180℃,反应时间为12~48h。
7.一种短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物的制备方法,其特征在于:所述方法采用表面活性剂聚乙二醇400用于将纳米氧化锌均匀负载在石墨烯片层表面,具体包括以下步骤:
步骤一:将氧化石墨烯水溶液分散于无水乙醇中,然后进行超声处理,得到均匀的分散液;氧化石墨烯水溶液的浓度为5~30mg/g,超声时间为10~120min;
步骤二:将表面活性剂聚乙二醇400加入到步骤一得到的分散液中,得到混合液;聚乙二醇400与体系中无水乙醇的体积比为1:70~1:10;
步骤三:将Zn(NO3)2·6H2O溶解于无水乙醇中,然后加入到步骤二的混合液中;步骤一中氧化石墨烯水溶液与步骤三中Zn(NO3)2·6H2O的质量比为1:33~1:3650;
步骤四:NaOH水溶液调节混合液pH至9~10,然后在密闭反应釜中恒温反应,反应温度为120~180℃,反应时间为12~48h,反应结束后产物经洗涤、干燥得到短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物;NaOH水溶液的浓度为0.5~10mol/L。
8.根据权利要求7所述的短棒状纳米氧化锌/石墨烯复合物的制备方法,其特征在于:反应在持续搅拌条件下进行。
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