[发明专利]一种表面沉淀纳米四氧化三铁石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，涉及石墨烯，尤其涉及一种表面沉淀纳米四氧化三铁(Fe₃O₄)石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯具有优异的机械性能、电性能，它在许多领域都有巨大的潜在应用价值。制备石墨烯/聚合物复合材料，可以改善聚合物力学性能，制备光、电功能材料、耐高温材料和摩擦材料等。目前聚合物/石墨烯复合材料已逐渐成为石墨烯主要的研究和应用方向。但是，纳米级的石墨烯不溶于水和有机溶剂，又极易产生团聚，在最终得到的复合材料中出现不理想的聚集态，从而导致其并不能充分发挥其自身的优势。

因此，国内外的研究者正试图对石墨烯的表面进行修饰，包括石墨烯表面的共价键功能化、非共价键包覆外来物质等，以改善石墨烯在溶剂中的分散性及与聚合物的相容性。

目前对石墨烯的修饰方法主要借鉴于碳纳米管的表面修饰方法。其化学修饰方法主要为通过羧酸化处理在石墨烯表面引入羧酸基团，然后进行酰氯化、醇化或氨基化，进而在石墨烯表面引入聚合物分子。这种方法的不足之处在于酸化处理的强氧化过程会破坏石墨烯自身结构并使得石墨烯的比表面积减小，影响石墨烯的各项优异性能。因而，我们可以采用非共价键包覆外来物质对石墨烯进行表面修饰。

发明内容

为了克服共价键功能化方法对石墨烯结构造成破坏进而影响其性能的缺点，本发明的目的是提供一种表面沉淀纳米Fe₃O₄石墨烯的制备方法。

本发明提出的表面沉淀纳米Fe₃O₄石墨烯的制备方法，首先将天然鳞片石墨进行氧化，接着将氧化石墨配成悬浊液进行超声剥离，得到氧化石墨烯悬浮液；然后用还原剂对氧化石墨烯进行还原反应，反应结束后经微孔滤膜过滤，多次洗涤得到中性的石墨烯；最后将石墨烯配成悬浮液，利用原位化学沉淀法在石墨烯表面沉积Fe₃O₄，从而得到表面改性的石墨烯。具体步骤如下：

（1）采用下述任一种方法制备得到氧化石墨：

称取质量比为1:1-100:1的石墨和硝酸盐，混合均匀；在烧瓶中加入浓 H₂SO₄，在冰浴温度下搅拌并缓慢加入石墨和硝酸盐的混合物；低于10℃温度下，加入1-20倍质量于石墨的强氧化剂，强氧化剂加入的时间为0.5-5h；保持该温度继续反应1-24h；升温至20-60℃，反应0.5-5h；持续缓慢升温至80-100℃，期间缓慢加入浓H₂SO₄体积1-20倍的H₂O，保持反应0.5-5h，观察颜色变化；用温水稀释体系，温水的加入量为浓H₂SO₄体积1-20倍，加入体积数为浓硫酸体积数1/4-1/2的H₂O₂，最后抽滤干燥得到氧化石墨。

或者：向三口烧瓶中加入体积比1:1-10:1的浓硫酸和浓硝酸，在冰水浴中机械搅拌10-60min得到混酸，取天然鳞片石墨加入其中，搅拌5-30min后，逐步加入氯酸钾粉末，反应48-120小时；反应结束后，加入大量去离子水稀释产物，使用5%的稀盐酸洗涤至氯化钡溶液无法检出SO₄^2-为止，使用去离子水反复洗涤至pH值为中性，最后抽滤干燥得到氧化石墨。

（2）将步骤（1）中所得的氧化石墨与H₂O混合超声剥离，得到浓度为0.1-2mg/ml的悬浮液，在80-100℃温度油浴中加热回流，搅拌，加入还原剂，反应1-24h，反应结束后洗涤数次、抽滤得到中性的石墨烯，干燥待用。

（3）称取质量比1:1-1:100的步骤（2）中的石墨烯和FeSO₄·7H₂O晶体，将FeSO₄·7H₂O溶于H₂O配成0.01-0.1mol/L的溶液，待其完全溶解后向FeSO₄溶液中加入称量好的石墨烯粉末，超声分散得到石墨烯的悬浮液，在80～100℃温度油浴中加热回流得到石墨烯的悬浮液，使悬浮液处于氮气氛围中；待悬浮液温度为80℃时加入0.1-1mol/L的碱性溶液，控制反应液PH值为8-14，待反应稳定后加入H₂O₂。1-20h后停止反应，抽滤干燥得到Fe₃O₄/石墨烯材料。