[发明专利]一种超临界CO2原位制备Au/石墨烯纳米复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，尤其涉及一种超临界CO₂原位制备Au/石墨烯纳米复合材料的方法。

技术背景

纳米复合材料具有一般纳米粒子的特性，体现为尺寸效应、体积效应、表界面效应、局域场效应，引起纳米材料光、点、热、声、磁等宏观特性的显著不同。另外，纳米复合材料往往产生其组分优势性能的强强联合，表现出更强的宏观性能。因此，纳米复合材料的相关研究已经成为各国科技界和产业界关注的热点。

目前，制备金属/碳材纳米复合材料的物理和化学方法众多。其中，原位化学是一种比较重要的常规方法，它是利用合适的还原剂还原金属离子，使得金属离子直接在碳材料表面上成核、生长和沉积，从而形成金属/碳基纳米复合材料。例如：申请号为201110133110.1的中国发明专利申请公开的一种Sn-Sb/石墨烯纳米复合材料的制备方法，利用碱金属的硼氢化物一步还原Sn和Sb的无机盐前驱体，获得了Sn-Sb/石墨烯纳米复合材料；申请号为201210046310.8的发明专利则提出了一种金属/石墨烯纳米复合材料的光还原一步法和光催化还原一步法，巧妙利用光照条件引发还原剂同时还原金属配体和氧化石墨烯，提高了反应可控性。

常规化学法虽然工艺简单，成本低廉，迅速便捷，但也存在不少缺陷，如纳米金属颗粒大小尺寸差别太大、纳米颗粒分布不均匀以及金属含量低等问题。所以，常规化学法难以制备出高质量的复合材料，批次性也较差。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种超临界CO₂原位制备Au/石墨烯纳米复合材料的方法。该方法以金的无机盐前驱体和氧化石墨为原料，利用超临界二氧化碳（ScCO₂）辅助化学制备Au/石墨烯纳米复合材料。将含金前驱体溶解到超临界二氧化碳和共溶剂中，由于ScCO₂具有强的溶解能力、低的黏度和表面张力，能轻易润湿碳基基板和高度分散纳米粒子，利用超临界二氧化碳对氧化石墨烯进行剥离，金离子和氧化石墨烯官能团相互静电吸引，反应生成的金核对石墨烯进行插层，扩大石墨烯的层间距，沉积后的金纳米晶体牢牢地吸附在石墨烯片层上，通过调节反应温度和压力，实现对负载的控制，制备得到金纳米粒子粒径细小、分布均匀的Au/石墨烯纳米复合材料。

本发明方法使得纳米Au和石墨烯均匀复合，纳米Au均匀地负载在石墨烯的片层上，获得批次性好、综合宏观性能更高的Au/石墨烯纳米复合材料。

本发明通过如下技术方案实现。

一种超临界CO₂原位制备Au/石墨烯纳米复合材料的方法，包括如下步骤：

（1）将氧化石墨烯、含金前驱体和表面活性剂超声分散于共溶剂中，再加入还原剂的水溶液，得到分散均匀的分散液；

（2）将分散液以及磁力搅拌子一同装入反应釜中，密封后通入高纯CO₂排除空气，加压加热，同时磁力搅拌下进行反应；

（3）反应结束后，缓慢泄压并冷却至室温，将反应产物取出，洗涤，真空干燥，得到所述Au/石墨烯纳米复合材料。

进一步地，步骤（1）中，所述含金前驱体为氯金酸。

进一步地，步骤（1）中，所述表面活性剂包括十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或十六烷基磺酸钠。

进一步地，步骤（1）中，所述共溶剂包括乙醇和乙二醇中的一种以上。

进一步地，步骤（1）中，所述还原剂包括葡萄糖。

进一步地，步骤（1）中，所述氧化石墨烯和含金前驱体的质量比1：1~6，优选为1：2~4，更优选为1：2。

进一步地，步骤（1）中，所述表面活性剂在分散液中的添加浓度为0.00035~0.0012mol/L。

进一步地，步骤（1）中，所述含金前驱体与共溶剂的料液比为2~12:1g/mL。

进一步地，步骤（1）中，所述还原剂的水溶液的浓度为0.28~1.67mol/L。

进一步地，步骤（1）中，所述共溶剂与还原剂的水溶液的体积比为25:1。

进一步地，步骤（2）中，所述加热是加热至90~150℃，优选为115~125℃。

进一步地，步骤（2）中，所述加压是加压至8~16MPa，优选为10~12Mpa。

进一步地，步骤（2）中，所述磁力搅拌的转速为400~600r/min。

进一步地，步骤（2）中，所述反应的时间为2~4h。