介孔納米片/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種a-Fe2O3/石墨烯復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]a -Fe2O3作為一種物理和化學(xué)穩(wěn)定性良好的半導(dǎo)體材料，具有適宜的帶隙寬度(2.0?2.2eV)、較強(qiáng)的氧化能力、較高的電容(?100mA.h/g)、價(jià)格低廉、安全無(wú)毒等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光催化、電池電極材料等諸多領(lǐng)域。石墨烯作為一種新型的二維納米材料，因其獨(dú)特的單原子層晶體結(jié)構(gòu)，而具有許多優(yōu)異的物化性質(zhì)(極高的載流子迀移速率、超高的比表面積、穩(wěn)定的化學(xué)特性等)，從而引起了物理、化學(xué)、材料等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，圍繞著a-Fe2O3/石墨烯復(fù)合功能材料的制備，研宄人員展開(kāi)了大量的研宄，成功制備出許多a -Fe2O3/石墨烯復(fù)合材料，并廣泛應(yīng)用于光解水、鋰離子電池、海水淡化等諸多領(lǐng)域。然而，上述的制備方法仍存在以下問(wèn)題:(1) a-Fe2O3/石墨稀復(fù)合功能材料的比表面積較小，不利于化學(xué)活性點(diǎn)位的暴露；(2)原位生長(zhǎng)在石墨烯片上a-Fe2O3都是密實(shí)體，缺少有利于物質(zhì)傳質(zhì)的多孔結(jié)構(gòu)。
[0003]最近，研宄人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯的晶格中引入異質(zhì)原子(比如氮、磷、硼等)，不僅能進(jìn)一步提高石墨烯的光電化學(xué)性能，還能強(qiáng)化a-Fe2O3與石墨烯的協(xié)同作用。因此，將a -Fe2O3介孔納米棒與氮摻雜石墨烯進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，形成片-片的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，不僅有利于物質(zhì)的傳質(zhì)過(guò)程，也使得化學(xué)活性點(diǎn)位得到有效的暴露。然而，如何讓a-Fe2O3納米片原位生于氮摻雜石墨烯的同時(shí)，以形成這種獨(dú)特的片-片結(jié)構(gòu)，并確保其多孔結(jié)構(gòu)的特性，是制備高性能高穩(wěn)定性a -Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨稀復(fù)合功能材料的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了解決目前無(wú)法讓a -Fe2O3介孔納米片原位生長(zhǎng)于氮摻雜石墨烯的同時(shí)確保a -Fe2O3多孔結(jié)構(gòu)特性的技術(shù)問(wèn)題，而提供一種a -Fe 203介孔納米片/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的制備方法。
[0005]本發(fā)明的一種a -Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的制備方法是按以下步驟進(jìn)行的:
[0006]—、將造孔劑加入到去離子水中，混合攪拌3min?lOmin，得到有機(jī)物溶液；將堿源和無(wú)機(jī)鐵的水溶液依次加入到有機(jī)物溶液中，攪拌5min?lOmin，形成均勾的透明混合液；所述的造孔劑的質(zhì)量與去離子水的體積比為lg: (1.03mL?3mL);所述的堿源與造孔劑的質(zhì)量比為1: (33.3?96.7);所述的無(wú)機(jī)鐵的水溶液的濃度為0.05mol/L?0.5mol/L ；所述的無(wú)機(jī)鐵的水溶液的體積與造孔劑的質(zhì)量比為ImL: (2g?5.8g)；
[0007]二、將氧化石墨烯加入到步驟一得到的均勻的透明混合液中，超聲0.3h?2.0h,然后攪拌2.0h?4.0h，得到穩(wěn)定的懸浮液；所述的氧化石墨烯與步驟一中所述的造孔劑的質(zhì)量比為I: (285.7?828.6)；
[0008]三、將步驟二得到的穩(wěn)定的懸浮液倒入水熱反應(yīng)釜后，在溫度為100°C?200°C的條件下反應(yīng)5h?24h，自然冷卻至室溫，進(jìn)行離心、然后用去離子水洗滌3次，再用乙醇洗滌2次，最后在溫度為50°C的條件下干燥12h，得到a -Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料。
[0009]本發(fā)明步驟二中的氧化石墨稀是由傳統(tǒng)的Hmnmers法制備的。
[0010]本發(fā)明的原理:
[0011]本發(fā)明中鐵離子由于靜電作用，會(huì)吸附在氮摻雜的石墨烯表面，成核生長(zhǎng)；另外，由于造孔劑含有多個(gè)羥基，它能有效吸附在a -Fe2O3納米晶的表面；在反應(yīng)過(guò)程中，由于添加的造孔劑量相對(duì)較低，無(wú)法完全覆蓋于a -Fe2O3納米晶，不能有效的阻止納米晶的團(tuán)聚，因此，隨著水熱反應(yīng)的進(jìn)行，a -Fe2O3納米晶沿著二維方向進(jìn)行組裝，進(jìn)而形成了納米片，接著采用乙醇/去離子水作為萃取劑，將納米片中的造孔劑洗除，從而形成了介孔，最終得到a -Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨稀復(fù)合材料。
[0012]與零維納米顆粒相比，二維納米片能高效的傳遞光生電荷，進(jìn)而使得光生電荷的復(fù)合幾率下降，有利于光催化活性的提升；由于a -Fe2O3納米片具有介孔結(jié)構(gòu)，這不僅提高了 a -Fe2O3對(duì)入射光的利用率，同時(shí)也大大縮短了光生載流子到達(dá)材料表面的徑向距離，有利于后續(xù)的氧化降解反應(yīng)；本發(fā)明的介孔結(jié)構(gòu)，還有利于化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)過(guò)程，因此能提高化學(xué)反應(yīng)效率；本發(fā)明由于其獨(dú)特的片-片結(jié)構(gòu)，能有效提高兩者界面間物質(zhì)與能量的傳遞效率。
[0013]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn):
[0014]—、本發(fā)明制備的a-Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨稀復(fù)合功能材料的比表面積高達(dá)317m2/g，遠(yuǎn)大于目前文獻(xiàn)報(bào)道的a -Fe2O3/石墨稀復(fù)合功能材料；本發(fā)明的a -Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨稀復(fù)合功能材料實(shí)現(xiàn)了 a -Fe2O3介孔納米片在氮摻雜石墨稀片上的原位生長(zhǎng)，其介孔大小為2?4nm ；
[0015]二、本發(fā)明方法的反應(yīng)條件溫和，所采用的反應(yīng)設(shè)備簡(jiǎn)單，所需的試劑價(jià)格低廉，且安全無(wú)毒，有利于大規(guī)模生產(chǎn)；
[0016]三、本發(fā)明所制備的a -Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的光芬頓活性明顯高于商業(yè)的Fe2O3，對(duì)羅丹明B的去除率高達(dá)78%。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為試驗(yàn)一制備a-Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的透射電鏡圖；
[0018]圖2為試驗(yàn)一制備的a-Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的透射電鏡圖；
[0019]圖3為試驗(yàn)一制備的a-Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨稀復(fù)合材料的X光電子能譜圖，峰I為Fe的3ρ軌道吸收峰，峰2為C的Is軌道吸收峰，峰3為N的Is軌道吸收峰，峰4為O的Is軌道吸收峰，峰5為Fe的2ρ軌道吸收峰，峰6為Fe的2s軌道吸收峰；
[0020]圖4為試驗(yàn)一制備的a-Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的氮?dú)馕矫摳角€(xiàn)；
[0021]圖5為在中性光芬頓降解水中羅丹明B的效果圖，曲線(xiàn)I為試驗(yàn)五的效果曲線(xiàn)，曲線(xiàn)2為試驗(yàn)四的效果曲線(xiàn)，曲線(xiàn)3為試驗(yàn)三的效果曲線(xiàn)，曲線(xiàn)4為試驗(yàn)二的效果曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0022]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式為一種a -Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的制備方法，具體是按以下步驟進(jìn)行的:
[0023]—、將造孔劑加入到去離子水中，混合攪拌3min?lOmin，得到有機(jī)物溶液；將堿源和無(wú)機(jī)鐵的水溶液依次加入到有機(jī)物溶液中，攪拌5min?lOmin，形成均勾的透明混合液；所述的造孔劑的質(zhì)量與去離子水的體積比為lg: (1.03mL?3mL);所述的堿源與造孔劑的質(zhì)量比為1: (33.3?96.7);所述的無(wú)機(jī)鐵的水溶液的濃度為0.05mol/L?0.5mol/L ;所述的無(wú)機(jī)鐵的水溶液的體積與造孔劑的質(zhì)量比為ImL: (2g?5.8g)；
[0024]二、將氧化石墨烯加入到步驟一得到的均勻的透明混合液中，超聲0.3h?2.0h,然后攪拌2.0h?4.0h，得到穩(wěn)定的懸浮液；所述的氧化石墨烯與步驟一中所述的造孔劑的質(zhì)量比為I: (285.7?828.6)；
[0025]三、將步驟二得到的穩(wěn)定的懸浮液倒入水熱反應(yīng)釜后，在溫度為100°C?200°C的條件下反應(yīng)5h?24h，自然冷卻至室溫，進(jìn)行離心、然后用去離子水洗滌3次，再用乙醇洗滌2次，最后在溫度為50°C的條件下干燥12h，得到a -Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料。
[0026]本實(shí)施方式的原理:
[0027]本實(shí)施方式中鐵離子由于靜電作用，會(huì)吸附在氮摻雜的石墨烯表面，成核生長(zhǎng)；另夕卜，由于造孔劑含有多個(gè)羥基，它能有效吸附在a -Fe2O3納米晶的表面；在反應(yīng)過(guò)程中，由于添加的造孔劑量相對(duì)較低，無(wú)法完全覆蓋于Q-Fe2O3納米晶，不能有效的阻止納米晶的團(tuán)聚，因此，隨著水熱反應(yīng)的進(jìn)行，C1-Fe2O3納米晶沿著二維方向進(jìn)行組裝，進(jìn)而形成了納米片，接著采用乙醇/去離子水作為萃取劑，將納米片中的造孔劑洗除，從而形成了介孔，最終得到a -Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨稀復(fù)合材料。
[0028]與零維納米顆粒相比，二維納米片能高效的傳遞光生電荷，進(jìn)而使得光生電荷的復(fù)合幾率下降，有利于光催化活性的提升；由于a -Fe2O3納米片具有介孔結(jié)構(gòu)，這不僅提高了 a -Fe2O3對(duì)入射光的利用率，同時(shí)也大大縮短了光生載流子到達(dá)材料表面的徑向距離，有利于后續(xù)的氧化降解反應(yīng)；本發(fā)明的介孔結(jié)構(gòu)，還有利于化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)過(guò)程，因此能提高化學(xué)反應(yīng)效率；本實(shí)施方式由于其獨(dú)特的片-片結(jié)構(gòu)，能有效提高兩者界面間物質(zhì)與能量的傳遞效率。
[0029]本實(shí)施方式優(yōu)點(diǎn):
[0030]一、本實(shí)施方式制備的a -Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨烯復(fù)合功能材料的比表面積高達(dá)317m2/g，遠(yuǎn)大于目前文獻(xiàn)報(bào)道的a -Fe2O3/石墨烯復(fù)合功能材料；本實(shí)施方式的a -Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨烯復(fù)合功能材料實(shí)現(xiàn)了 α -Fe 203介孔納米片在氮摻雜石墨稀片上的原位生長(zhǎng)，其介孔大小為2?4nm ；
[0031]二、本實(shí)施方式方法的反應(yīng)條件溫和，所采用的反應(yīng)設(shè)備簡(jiǎn)單，所需的試劑價(jià)格低廉，且安全無(wú)毒，有利于大規(guī)模生產(chǎn)；
[0032]三、本實(shí)施方式所制備的a -Fe2O3介孔納米片/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的光芬頓活性明顯高于商業(yè)的Fe2O3，其去除率高達(dá)78%。
[0033]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:步驟一中所述的造孔劑為含有羥基的有機(jī)物，具體為丙三醇、蔗糖、葡萄糖或羥基纖維素。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0034]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至二之一不同的是:步驟一中所述的堿源為尿素、氨水或乙酸銨。其它與【具體實(shí)施方式】一至二之一相同。
[0035]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:步驟一所述的無(wú)