CN110526237A - 一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置及方法，该装置由反应腔、冷却装置、高压电极、接地电极、温度传感器、pH传感器、接地线、高压探头、电流线圈、高压电源输出线、高压电源、电源接地线和电源控制器构成；制备步骤包括：用去离子水对反应腔进行清洗；调节好两电极间的间距为1mm‑10mm；配置好一定浓度的前驱体；将一定量的反应液体加入反应腔体中，接通冷却装置；调节高压电源开关，调节高压电源参数；打开示波器，连接好高压探头以及电流线圈；打开计时器，控制反应时间5min‑60min，生成的贵金属/石墨烯复合材料分散在反应腔体内。本发明有益效果是提高了反应效率，在电弧放电作用下，复合材料基体上的贵金属纳米颗粒分布更加均匀。

Description

一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置及方法，属于复合材料制备领域。
背景技术
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。此外，石墨烯的比表面积大，能够大量负载金属，协同增强石墨烯的性能。石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。而纳米尺度的贵金属因其突出的催化性能、电学性能、磁性能和光学性能，已经成为纳米科技领域中最富有活力的分支学科之一。采用贵金属纳米颗粒来修饰石墨烯，不仅可以发挥出贵金属纳米颗粒的优异性能，还能克服活性贵金属纳米颗粒易团聚和易氧化的不足。因此，该复合材料引起诸多研究者的关注。
但现阶段制备石墨烯基贵金属纳米颗粒复合材料均以石墨烯或氧化石墨烯作为原材料，用还原剂将负载在石墨烯材料上的贵金属离子还原成贵金属纳米颗粒，再除去石墨烯材料上残余的含氧官能团，最后才能得到石墨烯基的纳米贵金属复合材料。由此可见，现阶段的制备方法还原贵金属纳米颗粒普遍需要加入高危化学试剂(最常用的还原剂为剧毒的水合肼)，不利于环保。由于该问题的存在，使得石墨烯基贵金属纳米颗粒复合材料的工业化进程受到了制约。
中国专利CN109594068A介绍了一种通过辐照的方法同时对氧化石墨和重金属离子进行还原，产生贵金属/石墨烯复合材料。该方法因为使用辐照对材料处理会出现不均匀现象影响复合材料的质量。中国专利CN10974615A介绍了一种通过利用微波采取间歇式或连续式对石墨烯进行处理，在反应过程中一步实现石墨烯打孔、掺杂和复合过程，快速制得石墨烯基复合材料的方法。中国专利CN109181175A介绍了一种石墨烯和双金属纳米线的复合材料及其制备方法，通过置换反应产生复合材料。该方法反应速率较慢，反应程度不够充分。中国专利CN106442464A介绍了一种利用吡咯气相聚合方法在氧化石墨烯/聚合物刷复合材料表面调控金纳米结构并最终形成还原石墨烯/金复合材料的制备方法。该方法虽然可以产生特定形状的贵金属纳米颗粒，但其产生复合材料均匀性较差。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置及方法。通过高压电源激励石墨电极产生电弧放电，从而将石墨烯剥离，同时，等离子体放电产生的高能电子、自由基以及在溶液中生成的过氧化氢等物质将金属粒子还原，从而制备出纳米金和纳米银附着在石墨烯上，为石墨烯提供支撑作用。这种方法结构简单，易于操作且反应所需时间较短，实验产物复合程度均匀性更好。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置，主要包括反应腔、冷却装置、高压电极、接地电极、温度传感器、pH传感器、接地线、高压探头、电流线圈、高压电源输出线、高压电源、电源接地线和电源控制器构成；高压脉冲电源，其电压输出端接入反应腔高压电极处，地电极连接接地线。在高压电极处接有高压探头，同时使接地线通过感应电流线圈，以及时了解反应腔中的输入功率大小，通过调节高压电源控制面板可控制不同参数，生产出不同规格的复合纳米材料。在电极外侧套有石英管可避免电极与混合溶液发生反应。
进一步的，所述高压电源为微秒脉冲电源、纳秒脉冲电源、直流电源，通过高压放电在两电极间产生电弧，交流高压电源不适用此放电形式。高压电源电压范围为2kV-20kV。
进一步的，所述高压电源通过高压探头接入示波器，用于测量电路的电压值。
进一步的，接地电极通过电流感应器接入所述数字示波器，用于测量电路的电流值。
进一步的，冷却装置接入循环水，可对实验装置进行高温冷却，使反应溶液保持在常温状态。
进一步的，所述的反应腔体材质为不导电的石英、玻璃、聚四氟乙烯等，但不限于以上材料，反应腔体可以为圆柱形或方形，面积根据电极大小和间距进行设计。
进一步的，所述温度传感器和pH传感器位于反应腔的底部，两者的位置纵向对称。
进一步的，所述高压电极与地电极对心，高压电极材料为石墨，外径为3mm-1cm，实心柱体，长度为50mm-300mm；
进一步的，所述的地电极为钨棒、铜、铝等金属材料，外径为3mm-1cm，实心柱体，长度为50mm-300mm。
利用本发明所述的一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置，利用所述的水下放电等离子体制备贵金属石墨烯复合纳米材料的方法，包括以下步骤：
步骤1，用去离子水对反应腔进行清洗；
步骤2，调节好两电极间的间距为1mm-10mm；
步骤3，配置好一定浓度的前驱体，其中制备纳米金时，采用氯金酸溶液作为前驱体，制备纳米银时，以氯化银为前驱体；
步骤4，将一定量的反应液体加入反应腔体中，接通冷却装置；
步骤5，调节高压电源开关，调节高压电源参数；
步骤6，打开示波器，连接好高压探头以及电流线圈；
步骤7，打开计时器，控制反应时间5min-60min，生成的贵金属/石墨烯复合材料分散在反应腔体内。
本发明的有益效果是，降低了以往贵金属复合纳米颗粒制备所需较长的时间，提高了反应效率，增强了反应效果。同时，在电弧放电的作用下，复合材料基体上的贵金属纳米颗粒分布更加均匀。本发明可操作性强，易于实现。可有效的避免常规反应中耗时长、反应不均匀等问题。
附图说明
图1为本发明一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置，低温等离子体制备贵金属/复合材料装置示意图；
图中：1-反应腔、2-冷却装置、3-高压电极、4-接地电极、5-温度传感器、6-pH传感器、7-接地线、8-高压探头、9-电流线圈、10-示波器、11-高压电源输出线、12-高压电源、13-电源接地线、14-电源控制器、15-贵金属/石墨烯复合材料。
具体实施方式
本发明一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置，如图1所示，由反应腔1、冷却装置2、高压电极3、接地电极4、温度传感器5、pH传感器6、接地线7、高压探头8、电流线圈9、示波器10、高压电源输出线11、高压电源12、电源接地线13和电源控制器14组成。采用该装置制备贵金属/石墨烯复合纳米材料15的具体施例步骤如下：
步骤1，用去离子水对反应腔进行清洗；
步骤2，调节好两电极间的间距为1mm-10mm；
步骤3，配置好一定浓度的前驱体，其中制备纳米金时，采用氯金酸溶液作为前驱体，制备纳米银时，以氯化银为前驱体；配置1.214mM氯金酸溶液1ml与34mM柠檬酸钠溶液3ml进行混合；
步骤4，将一定量的反应液体加入反应腔体中，接通冷却装置；调节反应装置至预定位置，并连接好实验装置；
步骤5，调节高压电源开关，调节高压电源参数；
采用直流电源激励石墨电极，击穿时电压为5kV，放电击穿后维持电压为400V，放电电流为2A，放电时间为30min。
步骤6，打开示波器，连接好高压探头以及电流线圈；
采用圆柱状石墨电极，电极直径2mm，调节好两电极间的间距为10mm，将配置好的溶液放入反应腔1内；将电流线圈9以及高压探头8和示波器10连接完好；接通冷却装置。
步骤7，打开计时器，控制反应时间5min-60min，生成的贵金属/石墨烯复合材料分散在反应腔体内。
采用高速离心机，设置转速为1万转/分钟，10min后收集纳米材料，并对其进行紫外可见光谱测量、SEM、TEM等表征。

Claims (10)

1.一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置，其特征在于：主要包括反应腔、冷却装置、高压电极、接地电极、温度传感器、pH传感器、接地线、高压探头、电流线圈、高压电源输出线、高压电源、电源接地线和电源控制器构成；高压脉冲电源，其电压输出端接入反应腔高压电极处，地电极连接接地线；在高压电极处接有高压探头，同时使接地线通过感应电流线圈，以及时了解反应腔中的输入功率大小，通过调节高压电源控制面板可控制不同参数，生产出不同规格的复合纳米材料；在电极外侧套有石英管可避免电极与混合溶液发生反应。
2.根据权利要求1所述的一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置，其特征在于：高压电源为微秒脉冲电源、纳秒脉冲电源或直流电源，通过高压放电在两电极间产生电弧，高压电源电压范围为2kV-20kV。
3.根据权利要求1所述的一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置，其特征在于：高压电源通过高压探头接入示波器，用于测量电路的电压值；接地电极通过电流感应器接入所述数字示波器，用于测量电路的电流值。
4.根据权利要求1所述的一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置，其特征在于：冷却装置接入循环水；反应腔体材质为不导电的石英、玻璃或聚四氟乙烯，反应腔体可以为圆柱形或方形。
5.根据权利要求1所述的一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置，其特征在于：温度传感器和pH传感器位于反应腔的底部，两者的位置纵向对称。
6.根据权利要求1所述的一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置，其特征在于：高压电极与地电极对心，高压电极材料为石墨，外径为3mm-1cm，实心柱体，长度为50mm-300mm。
7.根据权利要求1所述的一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的装置，其特征在于：地电极为钨棒、铜、铝等金属材料，外径为3mm-1cm，实心柱体，长度为50mm-300mm。
8.一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，用去离子水对反应腔进行清洗；
步骤2，调节好两电极间的间距为1mm-10mm；
步骤3，配置好一定浓度的前驱体，其中制备纳米金时，采用氯金酸溶液作为前驱体，制备纳米银时，以氯化银为前驱体；
步骤4，将一定量的反应液体加入反应腔体中，接通冷却装置；
步骤5，调节高压电源开关，调节高压电源参数；
步骤6，打开示波器，连接好高压探头以及电流线圈；
步骤7，打开计时器，控制反应时间5min-60min，生成的贵金属/石墨烯复合材料分散在反应腔体内。
9.根据权利要求8所述的一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的方法，其特征在于：采用氯金酸溶液作为前驱体，配置1.214mM氯金酸溶液1ml与34mM柠檬酸钠溶液3ml进行混合。
10.根据权利要求8所述的一种制备贵金属/石墨烯复合纳米材料的方法，其特征在于：采用直流电源激励石墨电极，击穿时电压为5kV，放电击穿后维持电压为400V，放电电流为2A，放电时间为30min；采用圆柱状石墨电极，电极直径2mm。
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