鐵酸銅-石墨烯納米複合物及其製備方法
2023-07-11 17:52:21 2
專利名稱：鐵酸銅-石墨烯納米複合物及其製備方法
技術領域：
本發明屬於納米複合材料製備領域，具體是涉及一種在以石墨烯為支撐材料，並在其表面沉積大小均一，分散均勻的納米鐵酸銅納米片，特別是鐵酸銅-石墨烯納米複合物的製備方法。
背景技術：
尖晶石結構的鐵酸銅，由於它具有較好的磁學性能，優異的穩定性，已經廣泛的運用到信息存儲、電學器件和藥物載體等領域。到目前為止，將具有尖晶石結構的鐵酸銅用於可見光催化劑和鋰電池材料的研究還鮮有報導。在現有的鐵酸銅製備方法中 (Zhipeng Sun, Lang Liu, Dian zeng Jia, Weiyu Pan, Simple synthesis of CuFe2O4 nanoparticles as gas-sensing materials, Sensors and Actuators B 125 (2007) 144 - 148 ；Satoshi Kameoka, Toyokazu Tanabe, An Pang Tsai, Self-assembled porous nano-composite with high catalytic performance by reduction of tetragonal spinel CuFe2O4,Applied Catalysis A: General, 375 (2010) 163 - 171 )，都是通過高溫煅燒獲得，製備的鐵酸銅容易發生團聚，從而導致性能變差。採用實驗條件溫和的軟化學方法製備納米鐵酸銅還沒有報導。近年來，環境惡化問題日益突出，可見光光催化作為一種綠色能源技術在環境汙染的有效治理方面引起了科學家們的廣泛關注。另一方面，光催化降解有機汙染廢水常採用固-液反應體系，催化劑的分離和回收以及重複使用也是必須解決的關鍵問題之一。可磁分離的光催化劑能在懸浮體系中保持較高的光催化效率，反應後又能在外加磁場下方便地分離，供回收循環使用。因而，從充分利用太陽光的角度出發，製備在可見光下具有光催化活性的可磁分離的催化劑具有重大的現實意義。同時，全球資源緊缺使人類發展面臨嚴峻挑戰，全球可持續發展戰略使以儲能技術為基礎的新能源受到各國政府關注，其中，由於鋰離子電池具有工作電壓和比能量密度高、循環性好、無記憶效應等優點被廣泛用於便攜裝置儲能電池中，並在新能源汽車動力電池方面潛力巨大。關於鋰離子電池的研究方向，其中一個重要的方面就是電極材料的設計與製備問題。如何設計並製備出穩定的、性能優異的鋰離子電池材料成為了最近研究的熱點ο
發明內容
本發明的目的在於提供一種高的光催化活性的可見光催化劑鐵酸銅-石墨烯納米複合物，提供一種高的比能力密度，循環性好的鋰電池材料鐵酸銅-石墨烯納米複合物。 尤其是鐵酸銅-石墨烯納米複合物納米複合物的製備方法。實現本發明目的的技術解決方案為鐵酸銅-石墨烯納米複合物的製備方法，包括以下步驟
第一步，將氧化石墨在乙醇中超聲分散得氧化石墨烯溶液；第二步，將銅鹽與鐵鹽混合，並在乙醇中攪拌溶解；
第三步，將第一步所得的氧化石墨烯溶液與第二步所得的溶液混合，並攪拌，調節PH
值；
第四步，將第三步的混合溶液轉移至水熱釜中反應。第五步，將第四步產物離心分離並洗滌、乾燥後獲得鐵酸銅-石墨烯納米複合物。步驟一中所述的超聲30-60min，所述的氧化石墨採用hummer法製備。步驟二中所述銅鹽和鐵鹽為硝酸銅和硝酸鐵，所述的硝酸鐵和硝酸鹽的摩爾比為 2:1，攪拌時間為30-60 min。步驟三中所述混合溶液的攪拌時間為30-60min，pH=8_12。步驟四中所述水熱反應溫度為140-200°C，時間為12_20h。步驟五中所得到的鐵酸銅-石墨烯納米複合材料中的石墨烯的質量分數1(Γ40 wt%。本發明與現有技術相比，其優點在於(1)採用石墨烯為支撐材料，在其表面沉積大小均一，分散均勻的鐵酸銅納米片，提供了比較大的表面積和更多的活性中心；(2)通過水熱反應，氧化石墨被還原成石墨烯，避免了使用其他還原劑，對環境無汙染；(3)應用本發明製備的鐵酸銅-石墨烯納米複合物在汙水處理和鋰電池方面具有較好的應用前景和經濟效益。
附圖1是本發明鐵酸銅-石墨烯納米複合物製備的流程示意圖。附圖2是本發明實例2所得鐵酸銅-石墨烯(25 wt%)納米複合材料的XRD圖譜。附圖3是本發明實例2所得鐵酸銅-石墨烯(25 wt%)納米複合材料的TEM照片。
具體實施例方式結合附圖1，鐵酸銅-石墨烯(1(T40 wt%)納米複合物，由以下步驟製備而得 第一步，將氧化石墨在乙醇中超聲分散30-60min，得到氧化石墨烯溶液；
第二步，將摩爾比為1:2的將硝酸銅與硝酸鐵混合，加入到乙醇中攪拌30-60 min ； 第三步，將第一步所得的氧化石墨烯溶液與第二步所得的溶液混合，並攪拌30-60 min，調節 pH pH=8_12 ；
第四步，將第三步的混合溶液轉移至水熱釜中反應，溫度為140-200°C，時間為 12-20h。第五步，將第四步產物離心分離，用去離子水洗滌，乾燥後獲得鐵酸銅-石墨烯 (10 40 wt%)納米複合物。實施實例1 本發明鐵酸銅-石墨烯(10 wt%)納米複合物的製備方法，包括以下步驟
第一步，採用hummer法製備氧化石墨。將10 g石墨粉加入到80°C的過硫酸鉀(5 g)， 五氧化二磷(5g)的濃硫酸溶液(15mL)中，預氧化6小時，之後冷卻到室溫，抽慮，洗滌至中性。將預氧化的石墨粉(10 g)加入到0°C的230 mL濃硫酸溶液裡，之後小心的加入30g的高錳酸鉀，之後於35°C反應2h，最後向反應液中加入IL去離子水和25mL的30%的過氧化氫使反應終止，抽慮，洗滌，透析，製得氧化石墨；將26. 5mg的氧化石墨置於50mL乙醇中超聲分散30min ；
第二步，將0. 2416g硝酸銅和0. 8080 g硝酸鐵溶解在20mL乙醇中攪拌60min ； 第三步，將第一步與第二步混合，並攪拌40min，用6M的氫氧化鈉溶液調節pH=8 ； 第四步，將第三步的混合溶液轉移至IOOmL水熱釜中，在140°C反應16h ； 第五步，將第五步產物離心分離，用去離子水洗滌，乾燥後獲得鐵酸銅-石墨烯(10 wt%)納米複合物。實施實例2 本發明鐵酸銅-石墨烯(25 wt%)納米複合物的製備方法，包括以下步驟
第一步，氧化石墨製備同實施實例1，將80mg的氧化石墨置於50mL乙醇中超聲分散 60min ；
第二步，將0. 2416g硝酸銅和0. 8080 g硝酸鐵溶解在20mL乙醇中攪拌60min ； 第三步，將第一步與第二步混合，並攪拌60min，用6M的氫氧化鈉溶液調節pH=10 ； 第四步，將第三步的混合溶液轉移至IOOmL水熱釜中，在180°C反應20h ； 第五步，同實施實例1中的步驟五，乾燥後獲得鐵酸銅-石墨烯(25 wt%)納米複合物， 其XRD圖譜和TEM照片如圖2和圖3所示。實施實例3 本發明鐵酸銅-石墨烯(35 wt%)納米複合物的製備方法，包括以下步驟
第一步，氧化石墨製備同實施實例1，將U9mg的氧化石墨置於50mL乙醇中超聲分散 60min ；
第二步，將0. 2416g醋酸鋅和0. 8080 g硝酸鐵溶解在20mL乙醇中攪拌60min ； 第三步，將第一步與第二步混合，並攪拌60min，用6M的氫氧化鈉溶液調節pH=12 ； 第四步，將第三步的混合溶液轉移至IOOmL水熱釜中，在160°C反應16h ； 第五步，同實施實例1中的步驟五，乾燥後獲得鐵酸銅-石墨烯(35 wt%)納米複合物。實施實例4 本發明鐵酸銅-石墨烯(40 wt%)納米複合物的製備方法，包括以下步驟
第一步，氧化石墨製備同實施實例1，將160mg的氧化石墨置於50mL乙醇中超聲分散 60min ；
第二步，將0. 2416g醋酸鋅和0. 8080 g硝酸鐵溶解在20mL乙醇中攪拌30min ； 第三步，將第一步與第二步混合，並攪拌30min，用6M的氫氧化鈉溶液調節pH=9 ； 第四步，將第三步的混合溶液轉移至IOOmL水熱釜中，在200°C反應14h ； 第五步，同實施實例1中的步驟五，乾燥後獲得鐵酸銅-石墨烯(40 wt%)納米複合物。
權利要求
1.一種鐵酸銅-石墨烯納米複合物，其特徵在於所述複合物按以下步驟製備 第1步，將氧化石墨在乙醇中超聲分散得氧化石墨烯溶液；第2步，將銅鹽與鐵鹽混合，並在乙醇中攪拌溶解；第3步，將第1步所得的氧化石墨烯溶液與第2步所得的溶液混合，並攪拌，調節pH值；第4步，將第3步的混合溶液轉移至水熱釜中反應；第5步，將第4步產物離心分離並洗滌、乾燥後獲得鐵酸銅-石墨烯納米複合物。
2.根據權利要求1所述鐵酸銅-石墨烯納米複合物，其特徵在於步驟1中所述的超聲時間為30-60min，所述的氧化石墨採用hummer法製備。
3.根據權利要求1所述鐵酸銅-石墨烯納米複合物，其特徵在於步驟2中所述銅鹽為硝酸銅，所述鐵鹽為硝酸鐵，所述的硝酸鐵和硝酸鹽的摩爾比為2 1，所述的攪拌時間為 30_60mino
4.根據權利要求1所述鐵酸銅-石墨烯納米複合物，其特徵在於步驟3中所述的攪拌時間為30-60min，所述的pH=8_12。
5.根據權利要求1所述鐵酸銅-石墨烯納米複合物，其特徵在於步驟4中所述的反應溫度為140-200°C，所述的反應時間為12-20h。
6.根據權利要求1所述鐵酸銅-石墨烯納米複合物，其特徵在於步驟5中所述的鐵酸銅-石墨烯納米複合材料中石墨烯的質量分數1(T40 wt%0
7.一種鐵酸銅-石墨烯納米複合物的製備方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟 第1步，將氧化石墨在乙醇中超聲分散得氧化石墨烯溶液；第2步，將銅鹽與鐵鹽混合，並在乙醇中攪拌溶解；第3步，將第1步所得的氧化石墨烯溶液與第2步所得的溶液混合，並攪拌，調節pH值；第4步，將第3步的混合溶液轉移至水熱釜中反應；第5步，將第4步產物離心分離並洗滌、乾燥後獲得鐵酸銅-石墨烯納米複合物。
8.根據權利要求7所述的鐵酸銅-石墨烯納米複合物的製備方法，其特徵在於步驟1 中所述的超聲時間為30-60min，所述的氧化石墨採用hummer法製備；步驟2中所述銅鹽為硝酸銅，所述鐵鹽為硝酸鐵，所述的硝酸鐵和硝酸鹽的摩爾比為2 1，所述的攪拌時間為 30_60mino
9.根據權利要求7所述的鐵酸銅-石墨烯納米複合物的製備方法，其特徵在於步驟3 中所述的攪拌時間為30-60min，所述的pH=8-12 ；步驟4中所述的反應溫度為140-200°C， 所述的反應時間為12_20h。
10.根據權利要求7所述的鐵酸銅-石墨烯納米複合物的製備方法，其特徵在於步驟5 中所述的鐵酸銅-石墨烯納米複合材料中石墨烯的質量分數1(T40 wt%0
全文摘要
本發明公開了一種鐵酸銅-石墨烯納米複合物及其製備方法。將氧化石墨置於乙醇中超聲分散，硝酸鐵和硝酸銅加入到乙醇中攪拌溶解，然後將二種體系混合，之後將混合體系轉移至水熱釜中進行反應，反應結束後，產物經離心分離、洗滌和乾燥後，獲得鐵酸銅-石墨烯納米複合物。本發明以石墨烯為支撐材料採用水熱合成的方法，製備了大小均一，分散均勻的鐵酸銅納米片。應用本發明製備的鐵酸銅-石墨烯納米複合物在汙水處理和鋰離子電池方面具有較好的應用前景和經濟效益。
文檔編號C02F1/30GK102527387SQ20111044122
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者付永勝, 孫敬文, 朱俊武, 汪信, 熊攀 申請人:南京理工大學