[发明专利]一种高分散纳米钴/还原氧化石墨烯复合材料连续制备的方法

说明书

本发明涉及一种高分散纳米钴/还原氧化石墨烯复合材料连续制备的方法，即采用微反应器，通过引入惰性气相将水相分散成独立液弹，高分散纳米钴/还原氧化石墨烯复合材料的制备过程被限域在液弹中，微观混合得到显著强化，进而实现高分散纳米钴/还原氧化石墨烯复合材料的可控制备。具体过程为：配置含可溶性二价钴盐和氧化石墨烯的水溶液A，配置含可溶性还原剂的水溶液B；水溶液A、惰性气相、水溶液B由微反应器的三个入口同时进入，水溶液A和B被惰性气相分散，在微通道内混合、反应；所得沉淀物经离心、洗涤、干燥，即得到高分散纳米钴/还原氧化石墨烯复合材料。本发明与常规釜式反应器相比，具有钴纳米颗粒高分散且粒度分布窄的优点。

技术领域

本发明涉及一种高分散纳米钴/还原氧化石墨烯复合材料连续制备的方法，特别是基于微反应器，通过引入惰性气相强化微观混合过程，进而连续制备高分散纳米钴/还原氧化石墨烯复合材料的方法，属于纳米材料制备领域。

背景技术

石墨烯是由sp²杂化的碳原子紧密堆积而成的单层蜂窝状二维晶格结构。石墨烯的理论比表面积高达2630m²/g，室温下电子迁移率高达200000cm²/(V·s)，热导率、杨氏模量和断裂强度分别为5000W/(m·K)、1000GPa和130GPa。由于上述优异的性质，石墨烯在在电子、传感、防腐等领域具有广阔的应用前景。然而，由于石墨烯具有零带隙、表面惰性、憎水及易团聚等缺点，其应用受到了限制。为了解决上述问题，研究人员提出了表面官能团化、异质原子掺杂、纳米颗粒沉积等策略。其中，利用金属纳米粒子如Ag、Au、Pd、Co等修饰石墨烯表面可以赋予石墨烯诸多新的性质，如催化、电化学、光学等。

对于金属纳米粒子/石墨烯复合材料，现有技术中最为常见的制备方法为还原-沉积法。由于石墨烯在常见溶剂中的分散性均较差，研究人员多以具有强亲水性的氧化石墨烯为前驱体。还原-沉积法的具体过程为向含有氧化石墨烯和金属盐的溶液中加入还原剂，金属离子和氧化石墨烯同时被还原，所得金属纳米粒子沉积在还原氧化石墨烯表面。该过程多在搅拌釜式反应器内进行，还原剂采用缓慢滴加方式引入。然而，由于搅拌釜式反应器内微观混合效率差、温度分布不均，釜内不同位置的还原速率相差较大，使所得金属纳米粒子粒度分布不均且存在团聚现象。对于间歇搅拌釜式反应器，为达到微观单元的均匀混合，往往以高能耗为代价，不利于放大生产。为使经由还原-沉积法制备的金属纳米粒子/石墨烯复合材料中金属纳米粒子粒度均一且高分散，迫切需要一种可以强化微观混合及传热并具有低能耗的技术。

微化工技术是20世纪90年代初兴起的多学科交叉的科技前沿领域。该技术的主要特点是采用特征尺寸在数十至数百微米量级的微通道实现各种单元操作与反应过程。由于通道尺寸显著减小，热质传递过程显著强化，可大幅度提高反应过程中能源的利用效率和单位体积的生产能力，实现化工过程强化、微型化和绿色化。近年来，利用微化工技术制备纳米材料已引起学术界与工业界的广泛关注。然而，目前还未见在微通道反应器内合成高分散纳米钴/还原氧化石墨烯复合材料的报道。因此，提供一种利用微反应器连续制备高分散纳米钴/还原氧化石墨烯复合材料的方法是本发明的创新之处。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种利用微反应器制备的方法，既可实现高分散且窄粒径分布的钴纳米粒子的可控制备，又可解决微反应器内的堵塞问题。

为了实现上述目的，采用了一种带有两个液体进口、一个气体进口和一个出口的微反应器，具体工艺步骤如下：

(1)将可溶性二价钴盐CoX和氧化石墨烯按一定比例配置成水溶液A，其中X为Cl^-、NO₃^-、CH₃COO^-或SO₄^2-中的一种或两种以上；所述水溶液A中Co²⁺的浓度为0.0001-0.1mol/L，Co²⁺与氧化石墨烯的质量比为1:100-1:5；