CN111137942A - 一种片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料及其制备方法，其步骤为：以含石墨烯量子点、醋酸铜的混合水溶液作为前驱体溶液进行自组装，经冷冻干燥得到具有片状结构的石墨烯量子点/金属离子前驱体，再以NaH2PO2作磷源，经低温磷化法将该前驱体转化为片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料。这种方法的优点是原料选择多样性且来源广泛，操作简便易行，性价比高；所制备的片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料在光热海水淡化领域中具有重要的实用价值和良好的应用前景。

Description

一种片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及能源材料领域，特别是涉及一种片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料的制备方法。
背景技术
石墨烯量子点的零维结构赋予其独特的物理化学性质，例如光学特性、高度可修饰性、良好的水溶性和分散性等，而被广泛应用于光电催化及传感、能源利用与转换领域中。利用石墨烯量子点构筑复合材料可以兼顾各组分的优点从而提升材料性能。已报道的石墨烯量子点/过渡金属磷化物复合材料仅限于石墨烯量子点/磷化镍钴阵列结构（NanoEnergy, 2018, 48, 284-291），磷化钴/石墨烯量子点/石墨烯（ChemSusChem, 2017, 10,1014-1021），所采用的方法是将石墨烯量子点和前驱体溶液混合后经水热及磷化反应得到产物，不易规模化制备，无法获得形貌及尺寸可调控的产物。迄今为止，尚未有关于石墨烯量子点/磷化铜复合材料的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料及其制备方法，包括如下步骤：以石墨烯量子点、醋酸铜的混合水溶液作为前驱体溶液进行自组装，经冷冻干燥得到具有片状结构的石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体，再以NaH2PO2作磷源，经低温磷化法将GQD/Cu2+转化为片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料（GQD/Cu3P）。
进一步的，所述的石墨烯量子点，通过化学剥离法制得，其步骤为：将炭黑分散于水和浓硝酸混合溶液中，体积比1:1.5，在120~180℃下回流20~40小时，反应结束经离心、透析、干燥后得到，调节温度和时间的目的在于控制石墨烯量子点的尺寸及其官能团浓度。
进一步的，所述的自组装是将前驱体溶液在室温下搅拌5~8 h。
进一步的，前驱体溶液中，控制石墨烯量子点、醋酸铜的质量比为10：1~10：5，其目的在于控制前驱体片状的GQD/Cu2+的水平尺寸及厚度。
进一步的，前驱体溶液中，控制石墨烯量子点在前驱体溶液中的浓度为0.5~5 mg/mL，其目的在于控制前驱体片状的GQD/Cu2+的水平尺寸及厚度。
进一步的，所述的低温磷化是将GQD/Cu2+前驱体和NaH2PO2分别置于管式炉内载气的上游和下游，在氩气气氛下加热至300~350°C并保持2h，调控温度的目的在于控制片状多孔的GQD/Cu3P的孔径尺寸及组分。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：发明了一种石墨烯量子点/磷化铜复合材料（GQD/Cu3P）的制备方法，该工艺过程简便易行、原料来源广泛、性价比高，所形成的片状多孔复合材料的形貌和组分高度可控，并在光热海水淡化应用中显示出优异的性能。
附图说明
图1是本发明所用的石墨烯量子点的透射电镜图。
图2是本发明实施例1所制备石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体的扫描电镜图。
图3是本发明实施例1所制备材料的扫描电镜图。
图4是本发明实施例2所制备石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体的扫描电镜图。
图5是本发明实施例2所制备材料的扫描电镜图。
图6是本发明实施例3所制备石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体的扫描电镜图。
图7是本发明实施例3所制备材料的扫描电镜图。
图8是本发明实施例4所制备石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体的扫描电镜图。
图9是本发明实施例4所制备材料的扫描电镜图。
图10是本发明实施例5所用的石墨烯量子点的透射电镜图。
图11是本发明实施例5所制备石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体的扫描电镜图。
图12是本发明实施例1所制备材料的光热海水淡化性能图（a：模拟太阳光照下温度随时间变化曲线；b：光照下海水蒸发速率）。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述。
实施例1
一种片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料的制备方法，方法步骤如下：
称取10 mg石墨烯量子点（形貌如图1所示），3.0 mg醋酸铜，加入10 ml去离子水，搅拌均匀后，以该混合水溶液作为前驱液溶液，在室温搅拌6 h后，经冷冻干燥处理，得到具有片状结构的石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体（其形貌如图2所示）。将石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体和NaH2PO2分别放在管式炉内载气的上游和下游处，在Ar气氛加热至320°C并保持2h，得到所述的片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料（GQD/Cu3P）。
图3是本发明实施例1所制备材料的扫描电镜图，从图中可以看出石墨烯量子点/磷化铜复合材料是具有水平尺寸为10~20微米，厚度为50~80纳米的片状结构。
实施例2
一种片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料的制备方法，方法步骤如下：
称取10 mg石墨烯量子点（形貌如图1所示），1.5 mg醋酸铜，加入10 ml去离子水，搅拌均匀后，以该混合水溶液作为前驱液溶液，在室温搅拌6 h后，经冷冻干燥处理，得到具有片状结构的石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体（其形貌如图4所示）。将石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体和NaH2PO2分别放在管式炉内载气的上游和下游处，在Ar气氛加热至320°C并保持2h，得到所述的片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料（GQD/Cu3P）。
图5是本发明实施例2所制备材料的扫描电镜图，从图中可以看出石墨烯量子点/磷化铜复合材料是由水平尺寸为10~20微米，厚度为30~60纳米的片状结构，以及5~10微米长度的带状结构共同组成的。
实施例3
一种片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料的制备方法，方法步骤如下：
称取10 mg石墨烯量子点（形貌如图1所示），5.0 mg醋酸铜，加入10 ml去离子水，搅拌均匀后，以该混合水溶液作为前驱液溶液，在室温搅拌6 h后，经冷冻干燥处理，得到具有片状结构的石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体（其形貌如图6所示）。将石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体和NaH2PO2分别放在管式炉内载气的上游和下游处，在Ar气氛加热至320°C并保持2h，得到所述的片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料（GQD/Cu3P）。
图7是本发明实施例3所制备材料的扫描电镜图，从图中可以看出石墨烯量子点/磷化铜复合材料是具有水平尺寸为5~10微米，厚度为150~200纳米的片状结构。
实施例4
一种片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料的制备方法，方法步骤如下：
称取10 mg石墨烯量子点（形貌如图1所示），3.0 mg醋酸铜，加入2 ml去离子水，搅拌均匀后，以该混合水溶液作为前驱液溶液，在室温搅拌6 h后，经冷冻干燥处理，得到具有片状结构的石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体（其形貌如图8所示）。将石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体和NaH2PO2分别放在管式炉内载气的上游和下游处，在Ar气氛加热至320°C并保持2h，得到所述的片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料（GQD/Cu3P）。
图9是本发明实施例4所制备材料的扫描电镜图，从图中可以看出石墨烯量子点/磷化铜复合材料是微米级的块状结构。
实施例5
一种片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料的制备方法，方法步骤如下：
称取10 mg石墨烯量子点（形貌如图10所示），3.0 mg醋酸铜，加入10 ml去离子水，搅拌均匀后，以该混合水溶液作为前驱液溶液，在室温搅拌6 h后，经冷冻干燥处理，得到具有片状结构的石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体（其形貌如图11所示）。将石墨烯量子点/金属离子（GQD/Cu2+）前驱体和NaH2PO2分别放在管式炉内载气的上游和下游处，在Ar气氛加热至320°C并保持2h，得到所述的片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料（GQD/Cu3P）。
图12是本发明实施例1所制备材料的光热海水淡化性能图，从图中可以看出实施例1所制备的材料具有高效光热转换性能，20分钟内温度上升到58.5 °C，海水蒸发速率为1.57 kg m-2 h-1。

Claims (8)

1.一种片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：以石墨烯量子点、醋酸铜的混合水溶液作为前驱体溶液进行自组装，经冷冻干燥得到具有片状结构的石墨烯量子点/金属离子前驱体，再以NaH2PO2作磷源，经低温磷化法将该前驱体转化为片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料。
2.如权利要求1所述的所述的方法，其特征在于，石墨烯量子点，通过化学剥离法制得，其步骤为：将炭黑分散于水和浓硝酸混合溶液中，体积比1:1.5，在120~180℃下回流20~40小时，反应结束经离心、透析、干燥后得到。
3. 如权利要求1所述的所述的方法，其特征在于，所述的自组装是将前驱体溶液在室温下搅拌5~8 h。
4.如权利要求1所述的所述的方法，其特征在于，前驱体溶液中，控制石墨烯量子点、醋酸铜的质量比为10：1~10：5。
5. 如权利要求1所述的所述的方法，其特征在于，前驱体溶液中，控制石墨烯量子点在前驱体溶液中的浓度为0.5~5 mg/mL。
6.如权利要求1所述的所述的方法，其特征在于，所述的低温磷化是将GQD/Cu2+前驱体和NaH2PO2分别置于管式炉内载气的上游和下游，在氩气气氛下加热至300~350°C并保持2h。
7.如权利要求1-6任一所述的方法制备的片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料。
8.如权利要求1-6任一所述的方法制备的片状多孔的石墨烯量子点/磷化铜复合材料在光热海水淡化中的应用。
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