[发明专利]一种极小粒径纳米银负载的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种极小粒径纳米银负载的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。在常温常压超声条件下，由石墨烯作为基底构筑气凝胶，纳米银作为催化剂负载于石墨烯上，该气凝胶中纳米银粒径～1nm，对硝基苯和间二硝基苯具有超高的催化转化速率，且可通过调节纳米银的负载量对其粒径进行调控。根据上述性质，该纳米银催化剂既采用绿色环保的方法合成，又对污染物具有超高催化性能，又便于使用后回收，可用于环保、化工等领域。

技术领域

本发明属于材料制备领域，尤其涉及一种极小纳米银负载石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

纳米银催化剂在工业生产和环境治理中有着十分重要的作用。然而，纳米银催化剂在使用中存在众多局限性，比如由于其高比表面能易发生团聚，阻碍其催化活性的发挥；使用后较难回收，限制其重复利用，且增大其扩散进入环境的风险。石墨烯具有优异的物理化学性质，如高比表面积、高导电性、高机械强度、表面易修饰等，将其表面接上丰富的含氧官能团后可得氧化石墨烯。石墨烯是负载纳米银的合适基底材料，然而石墨烯在使用后也较难回收，故一般将其自下而上组装成水凝胶或气凝胶，但制备过程通常需要高温高压，耗能较大。在现有技术中，中国专利201510810027公开了一种三维结构还原氧化石墨烯/纳米金属银气凝胶及制备方法。但其仍未有效控制银团聚，纳米银粒径为25～40nm。因此，如何采用绿色环保的方法将纳米银以少个原子团聚态负载于一种可回收的石墨烯基底材料上至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米银负载于石墨烯气凝胶上的制备方法，既避免了高温高压，又使纳米银以～1nm的极小粒径存在，还使催化剂使用后便于回收利用。

为了有效控制银团聚，本发明采用了一种全新的思路：利用超声提高纳米银的分散程度，一定程度上减小纳米银粒径；且采用大片层氧化石墨烯作为构筑原料，一定程度上降低了水凝胶的合成密度，即降低了溶液的粘稠度，有利于纳米银的分散。

该极小粒径纳米银负载的石墨烯气凝胶由石墨烯作为基底构筑气凝胶，纳米银负载于石墨烯基底上。石墨烯尺寸大于30μm，纳米银粒径为1～4nm。

本发明的另一目的具体是提供一种该气凝胶的制备方法，通过以下技术方案实现：

将氧化石墨烯分散于水中，加入还原剂A形成还原环境，再加入银氨溶液，然后加入还原剂B，使银离子还原为纳米银，使氧化石墨烯还原并组装为石墨烯水凝胶，干燥后得到纳米银负载的石墨烯气凝胶。

本发明的还原过程通过化学还原实现，采用二步还原法，即先形成还原环境后再进行完全还原。第一步还原的目的是防止纳米银的氧化，第二步还原的目的是使氧化石墨烯片层还原为石墨烯水凝胶，同时使银离子还原为纳米银并负载于石墨烯纳米片层上。

作为优选，所述的氧化石墨烯的尺寸为微米级(>30μm)，目的是降低水凝胶的合成密度(<2mg/mL)。

作为优选，反应过程伴随超声，目的是提高银的分散程度，降低形成的纳米银粒径。

作为优选，反应在常温常压下进行，目的是降低成本和环境友好。

作为优选，银氨溶液预先由氨水和硝酸银混合而成。将氨水和硝酸银先形成银氨溶液再加入混合液中反应，目的是降低银离子的浓度，从而相应降低其氧化能力，使还原反应能够平稳地进行。

进一步的，加入还原剂B之后的混合溶液中，氧化石墨烯的浓度控制在1～3mg/mL，优选为2mg/mL，硝酸银的质量比控制在0.002％～1％，优选为0.025％～0.5％。

作为优选，所述的还原剂A为抗坏血酸，所述的还原剂B为水合肼。

作为优选，通过冷冻干燥法将石墨烯水凝胶干燥成气凝胶。