一種鍍鎳石墨烯的製備方法與流程
2023-06-26 19:34:51 1
本發明涉及石墨烯領域，具體而言，涉及一種鍍鎳石墨烯的製備方法。
背景技術：
石墨烯作為一種新發現的碳單質，在光、電、磁等方面表現出優異的性能。這使得石墨烯在多個應用領域如生物傳感器、分子檢測、超級電容器、儲氫材料、電池材料等領域展現出廣闊的應用前景。
金屬鎳具有較高的導熱、導電性和良好的磁性，並且和石墨烯具有良好的匹配性。可以預見，將金屬鎳與石墨烯複合不僅可以應用於電磁傳導材料、催化材料，而且可以作為增強材料加入到其他金屬中製備出高性能的複合材料。
然而，目前關於石墨烯表面鍍鎳的研究還比較少，而且僅有的一些鍍鎳方法也存在問題，即製備工藝複雜，製備周期長，材料成本高，很不利於規模化生產鍍鎳石墨烯。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種鍍鎳石墨烯的製備方法，其能夠簡化製備工藝，降低材料成本，促進鍍鎳石墨烯規模化生產。
本發明解決其技術問題是採用以下技術方案來實現。
本發明提出一種鍍鎳石墨烯的製備方法，其包括以下步驟：
混合處理：將石墨烯與去離子水混合後進行攪拌，得到濃度為0.1-2mg/mL的石墨烯第一溶液，添加D-L蘋果酸和第一金屬鎳鹽到石墨烯第一溶液中，並進行第一次超聲處理，得到第一混合溶液；
還原處理：通過鹼性溶液調節第一混合溶液的酸鹼度，使第一混合溶液的pH＝10，加入第一硼氫化鈉進行還原反應，得到第二混合溶液；
鍍鎳處理：向第二混合溶液中添加第二金屬鎳鹽和第二硼氫化鈉，進行第二次超聲處理、離心洗滌以及乾燥。
本發明實施例的鍍鎳石墨烯的製備方法的有益效果是：該鍍鎳石墨烯的製備方法簡單，只需要混合處理、還原處理和鍍鎳處理三個步驟即可製備出所需的石墨烯複合材料，去掉了傳統的活化、敏化步驟，縮短了製備周期，並且採用了價格低廉的D-L蘋果酸對石墨烯進行表面活化處理，降低材料成本，從而在整體提高鍍鎳石墨烯製備工藝效率的同時，降低其製造成本。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
圖1為本發明實施例1的無鍍鎳石墨烯和鍍鎳石墨烯的X射線衍射圖；
圖2為本發明實施例1的無鍍鎳石墨烯和鍍鎳石墨烯的掃描電鏡圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。實施例中未註明具體條件者，按照常規條件或製造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。
下面對本發明實施例的鍍鎳石墨烯的製備方法進行具體說明。
本發明實施例提供的一種鍍鎳石墨烯的製備方法，包括以下步驟：
S1、混合處理：將石墨烯與去離子水混合後進行攪拌，得到濃度為0.1-2mg/mL的石墨烯第一溶液，添加D-L蘋果酸和第一金屬鎳鹽到石墨烯第一溶液中，並進行第一次超聲處理，得到第一混合溶液。
需要說明的是，將石墨烯與去離子混合後進行的攪拌可以為機械攪拌，也可以是超聲攪拌，優選地為，超聲攪拌，因為超聲攪拌更有利於石墨烯均勻分散在去離子水中。
進一步的，D-L蘋果酸和金屬鎳鹽作為表面活性劑，能夠提高石墨烯表面的活性，促進金屬離子附著於石墨烯表面，故其濃度對於石墨烯表面是否能夠有效的吸附金屬離子為石墨烯的鍍鎳處理提供條件具有重要作用，在本發明較佳實施例濃度中，D-L蘋果酸的濃度控制在0.1-1mol/L，第一金屬鎳鹽的濃度控制在0.01-0.2mol/L，這樣能夠使得混合處理後的石墨烯的表面活性處於一個最佳的狀態，有利於下一步還原處理過程的發生。另外，石墨烯第一溶液的濃度控制在0.1-2mg/mL主要是為了保證混合處理過程中，石墨烯的表面能夠被最大程度的將官能團暴露出來，以有利於表面活性劑發揮自身應有的性能。
進一步地，為了使混合處理過程中D-L蘋果酸、第一金屬鎳鹽和石墨烯第一溶液充分的作用反應，上述第一次超聲處理過程中還同時進行了攪拌，攪拌與第一次超聲處理的同時進行使得石墨烯更易與金屬離子結合。另外，優選地，第一次超聲處理時間為25-35min，進一步優選地，第一次超聲處理時間為30min。需要說明的是，超聲處理時間的長短，同樣決定了混合處理過後石墨烯的表面官能團的地分布情況和活性狀態，而30min的超聲處理時間能夠讓表面處理過後的石墨烯表面表現出最佳的活性狀態。
S2、還原處理：通過鹼性溶液調節第一混合溶液的酸鹼度，使第一混合溶液的pH＝10，加入第一硼氫化鈉進行還原反應，得到第二混合溶液。需要說明的是，添加第一硼氫化鈉到第一混合溶液主要是與第一混合溶液中的鎳離子發生氧化還原反應，使得鎳離子能夠初步還原吸附在石墨烯的表面。另外，本實施例採用硼氫化鈉作為還原劑，相對於水合肼及其衍生物等強毒性還原劑而言，具有無毒環保的優點，滿足綠色化學的要求，便於此方法的推廣應用。
進一步地，在本發明較佳的實施例中，還原處理過程中的鹼性溶液為氫氧化鈉溶液。需要說明的是，採用氫氧化鈉主要在於能夠為後續鍍鎳處理創造良好的鹼性環境。
優選地，為了對第一混合溶液達到最好的酸鹼度調節，本實施例將氫氧化鈉溶液的濃度控制在0.15-0.25mmol/L，具體的原因是：鹼性過強，調節要求會變高而且極易造成實驗失敗，鹼性過低，又達不到有效對第一混合溶液進行pH調節的目的。
S3、鍍鎳處理：向第二混合溶液中添加第二金屬鎳鹽和第二硼氫化鈉，進行第二次超聲處理、離心洗滌以及乾燥。需要說明的是，鍍鎳處理過程是鍍鎳石墨烯製備過程中進一步的還原鍍鎳處理，其決定了石墨烯所鍍鎳的最終質量和覆蓋度。因此，為了鍍鎳處理能夠達到預期的最佳結果，第二金屬鎳鹽的濃度和第二硼氫化鈉的濃度控制在0.01-0.2mol/L，並且優選地，第二次超聲處理過程中還同時進行攪拌，這主要是由於攪拌與第二次超聲處理的同時進行使得鍍鎳處理後的石墨烯表面能夠還原吸附一層具有較強結合力的鎳，從而形成高質量的鍍鎳石墨烯。
需要說明的是，超聲處理時間的長短，同樣決定了混合處理過後石墨烯的表面的吸附特性。因此，在本發明較佳的實施例中，第二次超聲處理時間為55-65min，優選地，第二次超聲處理時間為60min，這樣能使混合處理過後的石墨烯表面表現出最佳的吸附能力。
進一步地，在本發明最佳的實施例中，為了使鍍鎳處理過程順利進行，並且得到高質量的鍍鎳石墨烯複合材料，本實施例在離心洗滌後優化了乾燥條件，即要求進行乾燥是在真空條件下，並且控制溫度80℃，乾燥時間為12小時。
以下結合實施例對本發明的特徵和性能作進一步的詳細描述。
實施例1
本實施例提供的一種鍍鎳石墨烯的製備方法，其製備過程如下：
S1、用電子天平稱取100mg石墨烯加入到100mL的去離子水中，形成濃度為1mg/mL的石墨烯溶液，同時添加濃度為0.1mol/L的D-L蘋果酸和濃度為0.01mol/L的六水合硫酸鎳超聲0.5h，使其完全混合形成石墨烯金屬鹽混合溶液。
S2、採用濃度為0.2mmol/L的氫氧化鈉溶液調節上述石墨烯金屬鹽混合溶液的酸鹼度，使溶液的pH＝10，然後緩慢加入濃度為0.05mol/L的硼氫化鈉，常溫下反應0.5h，得到還原處理混合液。
S3、向上述還原處理混合液中，添加濃度為0.02mol/L的六水合硫酸鎳和濃度為0.1mol/L硼氫化鈉超聲反應1h，再利用離心機離心洗滌三次，最後在真空乾燥箱中80℃烘乾12h，即可得到鍍鎳石墨烯。
實施例2
本實施例提供的一種鍍鎳石墨烯的製備方法，其製備過程如下：
S1、用電子天平稱取100mg石墨烯加入到200mL的去離子水中，形成濃度為0.5mg/mL的石墨烯溶液，同時添加濃度為0.1mol/L的D-L蘋果酸和濃度為0.01mol/L的六水合硫酸鎳超聲0.5h，使其完全混合形成石墨烯金屬鹽混合溶液。
S2、採用濃度為0.2mmol/L的氫氧化鈉溶液調節上述石墨烯金屬鹽混合溶液的酸鹼度，使溶液的pH＝10，然後緩慢加入濃度為0.05mol/L的硼氫化鈉，常溫下反應0.5h，得到還原處理混合液。
S3、向上述還原處理混合液中，添加濃度為0.02mol/L的六水合硫酸鎳和濃度為0.1mol/L硼氫化鈉超聲反應1h，再利用離心機離心洗滌三次，最後在真空乾燥箱中80℃烘乾12h，即可得到鍍鎳石墨烯。
實施例3
本實施例提供的一種鍍鎳石墨烯的製備方法，其製備過程如下：
S1、用電子天平稱取100mg石墨烯加入到100mL的去離子水中，形成濃度為1mg/mL的石墨烯溶液，同時添加濃度為0.1mol/L的D-L蘋果酸和濃度為0.02mol/L的六水合硫酸鎳超聲0.5h，使其完全混合形成石墨烯金屬鹽混合溶液。
S2、採用濃度為0.2mmol/L的氫氧化鈉溶液調節上述石墨烯金屬鹽混合溶液的酸鹼度，使溶液的pH＝10，然後緩慢加入濃度為0.05mol/L的硼氫化鈉，常溫下反應0.5h，得到還原處理混合液。
S3、向上述還原處理混合液中，添加濃度為0.02mol/L的六水合硫酸鎳和濃度為0.1mol/L硼氫化鈉超聲反應1h，再利用離心機離心洗滌三次，最後在真空乾燥箱中80℃烘乾12h，即可得到鍍鎳石墨烯。
實施例4
本實施例提供的一種鍍鎳石墨烯的製備方法，其製備過程如下：
S1、用電子天平稱取100mg石墨烯加入到200mL的去離子水中，形成濃度為0.5mg/mL的石墨烯溶液，同時添加濃度為0.1mol/L的D-L蘋果酸和濃度為0.01mol/L的六水合硫酸鎳超聲0.5h，使其完全混合形成石墨烯金屬鹽混合溶液。
S2、採用濃度為0.2mmol/L的氫氧化鈉溶液調節上述石墨烯金屬鹽混合溶液的酸鹼度，使溶液的pH＝10，然後緩慢加入濃度為0.1mol/L的硼氫化鈉，常溫下反應0.5h，得到還原處理混合液。
S3、向上述還原處理混合液中，添加濃度為0.02mol/L的六水合硫酸鎳和濃度為0.1mol/L硼氫化鈉超聲反應1h，再利用離心機離心洗滌三次，最後在真空乾燥箱中80℃烘乾12h，即可得到鍍鎳石墨烯。
實施例5
本實施例提供的一種鍍鎳石墨烯的製備方法，其製備過程如下：
S1、用電子天平稱取100mg石墨烯加入到100mL的去離子水中，形成濃度為1mg/mL的石墨烯溶液，同時添加濃度為0.05mol/L的D-L蘋果酸和濃度為0.01mol/L的六水合硫酸鎳超聲0.5h，使其完全混合形成石墨烯金屬鹽混合溶液。
S2、採用濃度為0.2mmol/L的氫氧化鈉溶液調節上述石墨烯金屬鹽混合溶液的酸鹼度，使溶液的pH＝10，然後緩慢加入濃度為0.05mol/L的硼氫化鈉，常溫下反應0.5h，得到還原處理混合液。
S3、向上述還原處理混合液中，添加濃度為0.02mol/L的六水合硫酸鎳和濃度為0.1mol/L硼氫化鈉超聲反應1h，再利用離心機離心洗滌三次，最後在真空乾燥箱中80℃烘乾12h，即可得到鍍鎳石墨烯。
實施例6
本實施例提供的一種鍍鎳石墨烯的製備方法，其製備過程如下：
S1、用電子天平稱取100mg石墨烯加入到100mL的去離子水中，形成濃度為1mg/mL的石墨烯溶液，同時添加濃度為0.05mol/L的D-L蘋果酸和濃度為0.01mol/L的六水合硫酸鎳超聲0.5h，使其完全混合形成石墨烯金屬鹽混合溶液。
S2、採用濃度為0.2mmol/L的氫氧化鈉溶液調節上述石墨烯金屬鹽混合溶液的酸鹼度，使溶液的pH＝10，然後緩慢加入濃度為0.05mol/L的硼氫化鈉，常溫下反應0.5h，得到還原處理混合液。
S3、向上述還原處理混合液中，添加濃度為0.1mol/L的六水合硫酸鎳和濃度為0.1mol/L硼氫化鈉超聲反應1h，再利用離心機離心洗滌三次，最後在真空乾燥箱中80℃烘乾12h，即可得到鍍鎳石墨烯。
試驗例
為了對本發明實施例中得到的鍍鎳石墨烯材料表面的鎳進行物質鑑定和表面鍍層觀察，本發明選取了實施例1中試驗前的石墨烯和試驗後所得的鍍鎳石墨烯作為試驗例的樣品，進行對應的XRD分析測試和SEM測試，其結果請分別參照圖1和圖2。需要說明的是，圖2中，a代表的是無鍍鎳石墨烯，b代表的是鍍鎳石墨烯。
參照圖1可以看出，試驗前，石墨烯中僅有碳元素的存在，試驗後，出現了鎳元素，且鎳的存在一定程度上弱化了原本石墨烯中碳元素的峰強，這也從側面反映了石墨烯表面鎳的存在。另外，參照圖2可以看出，石墨烯表面在鍍鎳前和鍍鎳後具有明顯的差異，鍍鎳前，石墨烯表面光滑質地分布均勻，沒有膜層的存在，鍍鎳試驗後，明顯有一層鍍層覆蓋與石墨烯表面。因此，結合圖1和圖2的測試結果可以認為，採用本發明實施例中鍍鎳石墨烯的製備方法能夠在保證鍍鎳石墨烯複合材料質量的同時，優化其製備過程中的工藝，降低材料成本，滿足現代工業對於環保的要求。
綜上所述，本發明實施例的鍍鎳石墨烯的製備方法簡單，只需混合處理、還原處理和鍍鎳處理三個步驟即可製備出所需的石墨烯複合材料，去掉了傳統的活化、敏化步驟，縮短了製備周期，並且採用了價格低廉的D-L蘋果酸對石墨烯進行表面活化處理，降低了材料成本，從而在整體提高鍍鎳石墨烯製備工藝效率的同時，降低其製造成本，該製備方法可應用於石墨烯鍍金屬層的製備工藝中。
以上所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。