CN110065938B - 结构有序石墨烯/Fe3O4气凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构有序石墨烯/Fe3O4气凝胶的制备方法，该方法是以氧化石墨烯和Fe3O4为原料，通过水热反应获得凝胶，然后在磁场中进行磁化，并采用液氮进行冷冻处理，后干燥定形获得结构有序的三维石墨烯/Fe3O4气凝胶，该结构有序的三维气凝胶体系中，石墨烯骨架结构在沿着磁场轴向方向上构建了传导通道，促进电子、声子等沿该方向的传导。该发明解决了三维石墨烯类气凝胶体系无序度高、分散无规则、传导效率低等问题。

Description

结构有序石墨烯/Fe3O4气凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及气凝胶生产技术领域，特别是涉及一种结构有序石墨烯/Fe3O4气凝胶的制备方法。
背景技术
石墨烯/Fe3O4材料作为一种新型的磁性催化材料，具有对环境友好，可重复利用等特点。但是目前石墨烯/Fe3O4气凝胶材料多为各向同性，结构无序的材料；或者是磁性Fe3O4粒子在磁场作用下均匀取向分布，对石墨烯骨架无影响。
常州大学何光裕等人在专利CN102553593B中公开了一种磁性纳米四氧化三铁-石墨烯复合催化剂的制备方法，其是利用氧化石墨与铁盐在50-90℃且加入氨水调整pH为9-11下进行反应，将产物进行磁分离，并用去离子水进行洗涤后干燥获得的。该发明所制备的四氧化三铁-石墨烯复合材料虽然颗粒大小均一，分散均匀，但是复合材料的三维体系的分布仍不均匀。
为了进一步简化生产工艺，如何采用氧化石墨烯和四氧化三铁作为原料，制备轴向方向均定向排列，结构有序的负载四氧化三铁的改性石墨烯材料是本课题组一直以来研究的方向。
发明内容
本发明的目的是提供了一种结构有序石墨烯/Fe3O4气凝胶的制备方法，该方法是以氧化石墨烯和Fe3O4为原料，通过水热反应获得凝胶，然后在磁场中进行磁化，并采用液氮进行冷冻处理，后干燥定形获得结构有序的石墨烯/Fe3O4气凝胶。
一种结构有序石墨烯/Fe3O4气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取重量比为0.5-1.5∶1的氧化石墨烯和Fe3O4纳米粉末；
(2)将称取的氧化石墨烯和Fe3O4纳米粉末采用水热法进行反应，制成石墨烯/Fe3O4凝胶；
(3)将步骤(2)制成的石墨烯/Fe3O4凝胶采用去离子水进行多次清洗，直至洗涤后的去离子水成中性；
(4)将洗涤后的石墨烯/Fe3O4凝胶置于强度为500-5000 Oe的磁场中进行磁化，形成三维有序的石墨烯/Fe3O4凝胶；
(5)将从磁场中取出的三维有序的石墨烯/Fe3O4凝胶立即置于液氮中冷冻定型，再将样品放置于冷冻干燥机中进行进一步脱水干燥，得到稳定的结构有序的石墨烯/Fe3O4气凝胶。
优选的，步骤(1)所述的Fe3O4纳米粉末的粒径为1-20nm。
优选的，步骤(2)所述的水热反应的温度为200-350℃，反应时间为2-5h。
优选的，步骤(4)所述的磁化时间为10-30min。
优选的，步骤(5)在液氮中冷冻定型的时间为1-2h，在冷冻干燥机中干燥时间为24-48h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过磁场诱导取向的方式制备了一种结构有序的石墨烯/Fe3O4气凝胶。在水热过程中使石墨烯与磁性纳米离子Fe3O4间形成一定的相互作用力，在磁场作用下Fe3O4粒子运动过程中会带动石墨烯片层的运动，从而使整个三维体系沿着磁场轴向方向取向排列，获得结构有序的石墨烯/Fe3O4气凝胶。结构有序的三维气凝胶体系中的石墨烯骨架结构在沿着磁场轴向方向上构建了传导通道，促进电子、声子等沿该方向的传导。该发明解决了三维石墨烯类气凝胶体系无序度高、分散无规则、传导效率低等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中氧化石墨烯的TEM；
图2为本发明实施例中氧化石墨烯的SEM；
图3为本发明实施例1制备的石墨烯/Fe3O4气凝胶的SEM；
图4为本发明实施例1制备的石墨烯/Fe3O4气凝胶的SEM；
图5为本发明实施例1中氧化石墨烯、Fe3O4和石墨烯/Fe3O4气凝胶的XRD；
图6为本发明实施例1中制备的石墨烯/Fe3O4气凝胶在轴向和纵向的压缩回弹性。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)将20mg氧化石墨烯(其TEM和SEM图如图1和图2所示)与23.2mg Fe3O4纳米粒子在超声作用下混合均匀后，采用水热法制备石墨烯/Fe3O4水凝胶，水热反应的温度为 250℃，反应时间为3h。
(2)结构有序的石墨烯/Fe3O4气凝胶的制备：
将反应得到的样品取出，加入大量的去离子水浸泡以洗去未参与反应的单体，直至去离子水至中性。将该石墨烯/Fe3O4水凝胶放置于2000 Oe强度的磁场中，使磁性纳米粒子在磁场作用下取向20min，同时带动石墨烯取向排布，形成结构有序的三维石墨烯/Fe3O4水凝胶。并将取向后的材料迅速置于液氮中冷冻定型，冷冻时间为1.5h，再将样品放置于冷冻干燥机中进行进一步脱水干燥48h，得到结构有序的石墨烯/Fe3O4气凝胶，不同放大倍数的SEM如如图3和图4所示。
从图3中可以看出，所制备的石墨烯/Fe3O4气凝胶中，石墨烯表面均匀负载有纳米Fe3O4颗粒，从图4中可以看出，所制备的石墨烯/Fe3O4气凝胶中，氧化石墨烯的骨架呈规整有序结构排布。由此可见，本发明的石墨烯/Fe3O4气凝胶不仅表面负载的纳米Fe3O4颗粒均匀有序，同时氧化石墨烯的骨架排布也是规整有序的。
图5的XRD图中也可以看出，石墨烯/Fe3O4气凝胶曲线的特征峰和Fe3O4的曲线的特征峰相对应(2θ＝30.1、35.4、43.1、53.4、57.0、62.5°出现了对应(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)的特征峰)，证明成功将Fe3O4负载在石墨烯材料表面，但2θ≈ 13.2°处的氧化石墨烯(001)特征峰不明显，但是在2θ≈23.4°处出现了一个微弱的峰，该峰为还原石墨烯特征衍射峰，这说明在反应过程中氧化石墨烯被还原为石墨烯。
图6为石墨烯/Fe3O4气凝胶轴向和纵向的压缩回弹性曲线，从图中可以看出，石墨烯 /Fe3O4气凝胶的轴向压缩强度明显优于纵向压缩强度，这是由于石墨烯片层形成的骨架结构在磁场及Fe3O4磁性粒子作用下沿着磁场方向优先取向排布，形成了结构更加规整、有序的三维石墨烯/Fe3O4气凝胶体系。
实施例2
(1)将10mg氧化石墨烯(其TEM和SEM图如图1和图2所示)与20mg Fe3O4纳米粒子在超声作用下混合均匀后，采用水热法制备石墨烯/Fe3O4水凝胶，水热反应的温度为200 ℃，反应时间为5h。
(2)结构有序的石墨烯/Fe3O4气凝胶的制备：
将反应得到的样品取出，加入大量的去离子水浸泡以洗去未参与反应的单体，直至去离子水至中性。将该石墨烯/Fe3O4水凝胶放置于500Oe强度的磁场中，使磁性纳米粒子在磁场作用下取向30min，同时带动石墨烯取向排布，形成结构有序的三维石墨烯/Fe3O4水凝胶。并将取向后的材料迅速置于液氮中冷冻定型，冷冻时间为2h，再将样品放置于冷冻干燥机中进行进一步脱水干燥24h，得到结构有序的石墨烯/Fe3O4气凝胶。
实施例3
(1)将20mg氧化石墨烯(其TEM和SEM图如图1和图2所示)与28mg Fe3O4纳米粒子在超声作用下混合均匀后，采用水热法制备石墨烯/Fe3O4水凝胶，水热反应的温度为350 ℃，反应时间为2h。
(2)结构有序的石墨烯/Fe3O4气凝胶的制备：
将反应得到的样品取出，加入大量的去离子水浸泡以洗去未参与反应的单体，直至去离子水至中性。将该石墨烯/Fe3O4水凝胶放置于1000 Oe强度的磁场中，使磁性纳米粒子在磁场作用下取向15min，同时带动石墨烯取向排布，形成结构有序的三维石墨烯/Fe3O4水凝胶。并将取向后的材料迅速置于液氮中冷冻定型，冷冻时间为2h，再将样品放置于冷冻干燥机中进行进一步脱水干燥30h，得到结构有序的石墨烯/Fe3O4气凝胶。
实施例4
(1)将30mg氧化石墨烯(其TEM和SEM图如图1和图2所示)与20mg Fe3O4纳米粒子在超声作用下混合均匀后，采用水热法制备石墨烯/Fe3O4水凝胶，水热反应的温度为300 ℃，反应时间为2h。
(2)结构有序的石墨烯/Fe3O4气凝胶的制备：
将反应得到的样品取出，加入大量的去离子水浸泡以洗去未参与反应的单体，直至去离子水至中性。将该石墨烯/Fe3O4水凝胶放置于5000 Oe强度的磁场中，使磁性纳米粒子在磁场作用下取向20min，同时带动石墨烯取向排布，形成结构有序的三维石墨烯/Fe3O4水凝胶。并将取向后的材料迅速置于液氮中冷冻定型，冷冻时间为2h，再将样品放置于冷冻干燥机中进行进一步脱水干燥48h，得到结构有序的石墨烯/Fe3O4气凝胶。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.结构有序石墨烯/Fe3O4气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
(1)称取重量比为0.5-1.5∶1的氧化石墨烯和Fe3O4纳米粉末，Fe3O4纳米粉末的粒径为1-20nm；
(2)将称取的氧化石墨烯和Fe3O4纳米粉末采用水热法进行反应，制成石墨烯/Fe3O4凝胶，水热反应的温度为200-350℃，反应时间为2-5h；
(3)将步骤(2)制成的石墨烯/Fe3O4凝胶采用去离子水进行多次清洗，直至洗涤后的去离子水成中性；
(4)将洗涤后的石墨烯/Fe3O4凝胶置于强度为500-50000e的磁场中进行磁化，形成三维有序的石墨烯/Fe3O4凝胶，磁化时间为10-30min；
(5)将从磁场中取出的三维有序的石墨烯/Fe3O4凝胶立即置于液氮中冷冻定型，再将样品放置于冷冻干燥机中进行进一步脱水干燥，得到稳定的结构有序的石墨烯/Fe3O4气凝胶，其中液氮中冷冻定型的时间为1-2h，在冷冻干燥机中干燥时间为24-48h。
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