一種實現(xiàn)石墨烯對材料保型封裝的合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及采用一種通用的反應(yīng)體系用于實現(xiàn)石墨締對材料的保型封裝，特別是 普遍適用于實現(xiàn)對金屬、非金屬單質(zhì)、氧化物、硫化物等多元素化合物材料封裝的合成方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨締是由碳六元環(huán)組成的二維周期蜂窩狀點陣結(jié)構(gòu)，可翅曲成零維的富勒締， 卷成一維的碳納米管或者堆煤成=維的石墨。它是構(gòu)成其它石墨材料的基本單元，因此它 兼?zhèn)涫吞技{米管等材料的諸多優(yōu)良性質(zhì)，如高電子電導(dǎo)率、高比表面積和高機(jī)械強(qiáng)度 等，使其在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。石墨締應(yīng)用的另 一個重要方向是將其作為一種輔助材料、改性材料或基體材料用于構(gòu)造特殊的功能復(fù)合材 料。目前制備石墨締的主要方法有機(jī)械剝離法、晶體外延生長、化學(xué)氣相沉積W及氧化-還 原法等，其中氧化-還原法被認(rèn)為是最具有潛力和發(fā)展前途的合成石墨締及其衍生材料的 方法。石墨氧化物存在大量的含氧官能團(tuán)，具有親水性，能高度分散在水溶液或其它有機(jī) 溶劑中，一方面易大規(guī)模制備且易被有效還原成石墨締；另一方面石墨氧化物分散液可與 其它材料相混合便于構(gòu)筑復(fù)合材料體系。國內(nèi)外已有的公開資料顯示，各類金屬、非金屬單 質(zhì)W及氧化物、硫化物等多元素化合物材料能夠W多種不同的形式與石墨締進(jìn)行有機(jī)的結(jié) 合，構(gòu)成具有特殊功能的復(fù)合材料，包括錯固在石墨締表面、夾雜在石墨締層間W及保型地 封裝于石墨締內(nèi)部。較之錯固和夾雜，石墨締封裝具有更加明顯的優(yōu)勢，如保型覆蓋的石 墨締能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并能有效地阻止因外界環(huán)境造成的內(nèi)部材料氧化、溶解、腐蝕等 副反應(yīng)的發(fā)生，不過前兩類復(fù)合形式最常見，同時較易實現(xiàn)；而實現(xiàn)石墨締的封裝卻鮮有報 道，噴霧-裂解、毛細(xì)管壓縮、預(yù)壓力釋放等方法可用來實現(xiàn)石墨締封裝，但僅限于特定的 反應(yīng)體系，且操作復(fù)雜、成本較高，導(dǎo)致難W應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)中，運使得該類材料的應(yīng)用 領(lǐng)域和使用范圍受到了極大的制約。因而，開發(fā)一種簡單、有效、易拓展的方法用于構(gòu)筑石 墨締保型封裝的復(fù)合結(jié)構(gòu)仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 石墨締是由碳六元環(huán)組成的二維周期蜂窩狀點陣結(jié)構(gòu)，可翅曲成零維的富勒締， 卷成一維的碳納米管或者堆煤成=維的石墨。它是構(gòu)成其它石墨材料的基本單元，因此它 兼?zhèn)涫吞技{米管等材料的諸多優(yōu)良性質(zhì)，如高電子電導(dǎo)率、高比表面積和高機(jī)械強(qiáng)度 等，使其在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。石墨締應(yīng)用的另 一個重要方向是將其作為一種輔助材料、改性材料或基體材料用于構(gòu)造特殊的功能復(fù)合材 料。目前制備石墨締的主要方法有機(jī)械剝離法、晶體外延生長、化學(xué)氣相沉積W及氧化-還 原法等，其中氧化-還原法被認(rèn)為是最具有潛力和發(fā)展前途的合成石墨締及其衍生材料的 方法。石墨氧化物存在大量的含氧官能團(tuán)，具有親水性，能高度分散在水溶液或其它有機(jī) 溶劑中，一方面易大規(guī)模制備且易被有效還原成石墨締；另一方面石墨氧化物分散液可與 其它材料相混合便于構(gòu)筑復(fù)合材料體系。國內(nèi)外已有的公開資料顯示，各類金屬、非金屬單 質(zhì)W及氧化物、硫化物等多元素化合物材料能夠W多種不同的形式與石墨締進(jìn)行有機(jī)的結(jié) 合，構(gòu)成具有特殊功能的復(fù)合材料，包括錯固在石墨締表面、夾雜在石墨締層間W及保型地 封裝于石墨締內(nèi)部。較之錯固和夾雜，石墨締封裝具有更加明顯的優(yōu)勢，如保型覆蓋的石 墨締能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并能有效地阻止因外界環(huán)境造成的內(nèi)部材料氧化、溶解、腐蝕等 副反應(yīng)的發(fā)生，不過前兩類復(fù)合形式最常見，同時較易實現(xiàn)；而實現(xiàn)石墨締的封裝卻鮮有報 道，噴霧-裂解、毛細(xì)管壓縮、預(yù)壓力釋放等方法可用來實現(xiàn)石墨締封裝，但僅限于特定的 反應(yīng)體系，且操作復(fù)雜、成本較高，導(dǎo)致難W應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)中，運使得該類材料的應(yīng)用 領(lǐng)域和使用范圍受到了極大的制約。因而，開發(fā)一種簡單、有效、易拓展的方法用于構(gòu)筑石 墨締保型封裝的復(fù)合結(jié)構(gòu)仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有合成方法難于控制、工序復(fù)雜、不便于擴(kuò)展等不足， 提供了一種快速、有效地實現(xiàn)石墨締對材料保型封裝的一步溶劑熱制備方法。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)石墨締對材料保型封裝的合成方法，其 特征在于將氧化石墨-醇分散液與待封裝的粉體原料均勻分散于另一種合適的醇溶劑中 構(gòu)成混合體系，其中氧化石墨-醇分散液：待封裝的粉體原料的質(zhì)量比為4:1~1: 20,將上 述混合體系轉(zhuǎn)入合適容積的反應(yīng)蓋內(nèi)，密封后于指定溫度下處理一段時間即可得到預(yù)期的 產(chǎn)物；所述的氧化石墨-醇分散液質(zhì)量濃度為《20mg/ml;其中所述待封裝的粉體原料指 的是：單質(zhì)、氧化物或硫化物；所述的氧化石墨-醇分散液中的醇指的是：丙=醇、乙二醇、 乙醇、丙二醇中的一種或幾種的混合體；所述的另一種合適的醇溶劑指的是：異丙醇、異下 醇、正下醇、正丙醇中的一種或幾種的混合體。其中密封后于指定溫度下處理一段時間即 可得到預(yù)期的產(chǎn)物指的是：在80°C~200°C條件下處理2~72h，待反應(yīng)結(jié)束后取出反應(yīng)產(chǎn) 物，采用離屯、或抽濾的方式經(jīng)水洗、醇洗、干燥后得到石墨締保型封裝的復(fù)合材料。
[0006] 本發(fā)明所述的混合體指的是氧化石墨-醇分散液、待封裝的材料和另一種醇=者 所構(gòu)成的混合體系。其中的待封裝材料，可W是既存的固態(tài)粉體分散于反應(yīng)體系中，也可W 是能夠在醇溶液中成核、結(jié)晶的溶液前軀體分散于反應(yīng)體系中，還可W是依附于基體生長 的材料放置于反應(yīng)體系中，通過一步溶劑熱均可實現(xiàn)石墨締對相應(yīng)材料的保型封裝。
[0007] 本發(fā)明按照合適的質(zhì)量比將一定量的氧化石墨-醇分散液與待封裝的粉體原料 巧曰：單質(zhì)、氧化物、硫化物等）均勻分散于另一種合適的醇溶劑中構(gòu)成混合體系，將上述混 合體系轉(zhuǎn)入合適容積的反應(yīng)蓋內(nèi)，密封后于指定溫度下處理一段時間即可得到預(yù)期的產(chǎn) 物。具體步驟為：準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的氧化石墨，將其超聲分散于合適體積的醇溶劑巧曰： 丙=醇、乙二醇、乙醇、丙二醇等）中，先制得一定質(zhì)量濃度的氧化石墨分散液，按照合適的 質(zhì)量比（4:1~1:20)準(zhǔn)確量取一定體積的上述分散液巧日：量取2mg/ml分散液500ml)并 稱取相應(yīng)質(zhì)量的粉體材料（如：2g)，然后將二者均勻分散于另一種合適的醇溶劑巧日：化異 丙醇、異下醇、正下醇或正丙醇）中，再將上述混合體系轉(zhuǎn)入反應(yīng)蓋中，并在80°C~200°C條 件下處理2~72h，待反應(yīng)結(jié)束后取出反應(yīng)產(chǎn)物，采用離屯、或抽濾的方式經(jīng)水洗、醇洗、干燥 后得到石墨締保型封裝的復(fù)合材料。
[0008] 本發(fā)明公開的濕化學(xué)反應(yīng)體系可方便地用于封裝各類單質(zhì)、氧化物、硫化物等化 工材料，且易于擴(kuò)大規(guī)模并適用于對依附基體生長的材料的封裝。本發(fā)明合成方法簡單便 捷、環(huán)保高效、彈性大、可操縱性強(qiáng)、易拓展、重現(xiàn)性高、批次穩(wěn)定，實用性強(qiáng)，重點是攻克了 難W構(gòu)筑石墨締封裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的科學(xué)難題。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明實施例1制備的石墨締封裝商用娃粉的掃描電子顯微鏡圖（SEM); 圖2a、b分別是本發(fā)明實施例2采用的Sn〇2和制備的石墨締封裝SnO2的掃描電子顯 微鏡圖（SEM); 圖3曰、b分別是本發(fā)明實施例3采用的Zn2Sn〇4和制備的石墨締封裝Zn2Sn〇4的掃描 電子顯微鏡圖（SEM); 圖4a、b分別是本發(fā)明實施例4采用的LiNii/3C〇i/3Mni/3化和制備的石墨締封裝L冊i/3C〇i/3Mni/3〇2^元材料的掃描電子顯微鏡圖（SEM); 圖5是本發(fā)明實施例5 -步原位合成的石墨締封裝V〇2的掃描電子顯微鏡圖（SEM); 圖6a、b分別是本發(fā)明實施例6制備的NiS納米束陣列和石墨締封裝NiS納米束陣列 的掃描電子顯微鏡圖（SEM)。
【具體實施方式】
[0010] W下的實施例便于更好地理解本發(fā)明，但并不限定本發(fā)明。下述實施例中的實驗 方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法。下述實施例中所用的試驗材料均為商品或自制，如無 特殊說明，均默認(rèn)試劑為商店購買得到。
[0011] 實施例1 (1)首先義用改良的Hummers法制備氧化石墨 1、準(zhǔn)確稱取化g石墨粉和500gNaN〇3并將其均勻混合；2、冰水浴條件下，加入5000mL濃H2SO4攬拌均勻，然后緩慢加入1.化gKMn〇4攬拌1小時；3、加入50000血濃度為5%的H2SO4 攬拌1小時；4、加入適量雙氧水（&〇2)攬拌；5、清洗：清洗至抑=7,即得氧化石墨。
[0012] (2)其次配制氧化石墨-丙S醇分散液： 1、準(zhǔn)確稱取Ig的上述氧化石墨；2、用1L量筒取500ml的丙=醇溶液，轉(zhuǎn)置于1L的燒 杯中，備用；3、將稱量的氧化石墨轉(zhuǎn)入丙=醇溶液中，輕微振蕩，然后利用超聲波細(xì)胞粉碎 儀超聲30~60min，得到氧化石墨-丙=醇的分散液；4、將上述分散液在10000轉(zhuǎn)/分鐘 的速率下離屯、15~30min，即可獲得2mg/ml的氧化石墨-丙S醇分散液。
[0013] (3)最后利用一步溶劑熱制備石墨締保型封裝的復(fù)合材料： 1、準(zhǔn)確量取化異丙醇溶液，轉(zhuǎn)入化不誘鋼反應(yīng)蓋中，備用；2、準(zhǔn)確稱取商用娃粉 3邑，將其均勻分散于上述異丙醇溶劑中；3、準(zhǔn)確量取2mg/ml的氧化石墨