專(zhuān)利名稱(chēng)：一步法共還原制備石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，涉及一種石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
自2004年，S. Novoselov和A. K. Geim發(fā)現(xiàn)炭的一種新的同素異形體-石墨烯以
來(lái)，石墨烯以其獨(dú)特的性能引起廣泛的關(guān)注。石墨烯由單層碳原子組成兩維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，在許多領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，如能量存儲(chǔ)、傳感器、生物技術(shù)等。S. Novoselov和A. K. Geim用機(jī)械剝離法制得石墨烯，但產(chǎn)率很低。目前通常用化學(xué)還原或熱還原氧化石墨烯的方法來(lái)大量制備石墨烯。碲化鉛具有非常優(yōu)良的熱電特性、光電特性和紅外光學(xué)特性，廣泛應(yīng)用于熱電器件、紅外光學(xué)元件、半導(dǎo)體探測(cè)器等。當(dāng)碲化鉛晶粒尺寸達(dá)到納米尺度后，會(huì)產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)，引起材料性能突變，因此，碲化鉛的納米結(jié)構(gòu)受到更為廣泛的重視。 由于石墨烯和碲化鉛納米顆粒均不溶于水和有機(jī)溶劑，若分別制得石墨烯和碲化鉛納米顆粒再進(jìn)行復(fù)合，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的聚集分相，難以得到納米尺度均勻分散的納米復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明以氧化石墨、含鉛的無(wú)機(jī)鹽、二氧化碲或亞碲酸鹽為原料，以硼氫化鉀或硼氫化鈉為還原劑，在堿性水溶液中同步合成石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料的制備方法，包含以下步驟( I)將含鉛的無(wú)機(jī)物和含碲的化合物加入盛有去離子水的反應(yīng)器中，再加入堿，持續(xù)攪拌直到溶液變?yōu)橥该鞒吻?，加入氧化石墨，超聲分散使其充分溶解繼續(xù)攪拌得到混合溶膠，然后加入還原劑，充分溶解后停止攪拌；(2)將步驟(I)得到的混合物放入保溫設(shè)備中恒溫反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，在反應(yīng)器底部得到石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合粉末沉淀物；(3)將步驟(2)得到的石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合粉末沉淀物洗滌、離心分離，洗滌過(guò)濾；(4)將過(guò)濾得到的粉末真空干燥，得到石墨烯/碲化鉛納米粉體。所述的步驟(I)中加入含鉛的無(wú)機(jī)物和含碲的化合物后Pb元素的濃度為0. 01 0. lmolL'Te 元素的濃度為 0.01 0. Imol L—1，原子比 Pb = Te=I: I。所述的步驟(I)中含鉛的無(wú)機(jī)鹽選自硝酸鉛或醋酸鉛。所述的步驟(I)中含碲的化合物選自二氧化碲、亞碲酸鈉或亞碲酸鉀。所述的步驟(I)中的堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀或氫氧化銣，其中加入堿后溶液中堿的濃度為0. I 0.5mol/L。
所述的步驟(I)中超聲分散時(shí)間為I 2小時(shí)。所述的步驟(I)中溶液中氧化石墨的濃度為O. Γ1. 5gL'所述的還原劑選自硼氫化鉀或硼氫化鈉，其中摩爾比n(BH4_) :n(Pb2+) =12 16。所述的步驟(2)中保溫設(shè)備為能控溫的水浴鍋或油浴鍋，恒溫反應(yīng)的溫度為室溫至80°C，恒溫反應(yīng)時(shí)間為12 24小時(shí)。所述的步驟(3)中洗滌納米粉體是用去離子水清洗，采用離心機(jī)沉淀或抽濾設(shè)備進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾產(chǎn)物重新在去離子水中分散，反復(fù)過(guò)濾直到濾液pH值為7，最后用無(wú)水乙醇洗滌以方便干燥，其中離心沉降轉(zhuǎn)速為2000 4000轉(zhuǎn)/分鐘。所述的步驟(4)中粉體在真空干燥箱中干燥，真空度<133Pa，溫度為50 80°C， 時(shí)間8 20小時(shí)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明可大大降低復(fù)合材料的制造成本，工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，同時(shí)反應(yīng)過(guò)程中避免使用大量有機(jī)溶劑，有利于環(huán)保。合成的石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料可廣泛用于太陽(yáng)能電池、熱電器件、紅外光學(xué)元件、半導(dǎo)體探測(cè)器等，應(yīng)用前景廣闊。


圖I中曲線(xiàn)(a)是原料氧化石墨的X-射線(xiàn)衍射圖譜，在10. 6°的衍射峰表明C (002)晶面層間距為O. 82納米；曲線(xiàn)(b)是單獨(dú)還原氧化石墨得到石墨烯的X-射線(xiàn)衍射圖譜；衍射峰位置24°，對(duì)應(yīng)間距約O. 37納米，C(002)晶面層顯著減小說(shuō)明氧化石墨被還原得到石墨烯；曲線(xiàn)(c)是室溫下單獨(dú)合成碲化鉛納米顆粒的X-射線(xiàn)衍射圖譜；曲線(xiàn)(d)是采用本發(fā)明室溫下合成石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料(實(shí)施例I)的X-射線(xiàn)衍射圖譜。。圖2采用本發(fā)明室溫下合成石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料(實(shí)施例I)的透射電鏡照片。照片顯示20 60納米的PbTe顆粒均勻附著在石墨烯上。圖3采用本發(fā)明80°C下合成石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料(實(shí)施例3)的透射電鏡照片。照片顯示PbTe納米顆粒附著在石墨烯上，但出現(xiàn)部分團(tuán)聚。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I室溫合成石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料( I)配料(a)在裝有IOOml去離子水的燒杯中放入攪拌磁子攪拌,稱(chēng)取2mmol三水合醋酸鉛，2mmol 二氧化碲和O. 04mol氫氧化鉀加入燒杯中，持續(xù)攪拌直到溶液變?yōu)橥该鞒吻?，溶液中Pb元素濃度為O. 02mmolL_1 ；Te元素濃度為O. 02mmolL_1 ;堿的濃度為O. 4mol L—1 ；(b)加入IOmg氧化石墨(濃度為O. IgI/1),超聲分散I. 5小時(shí)后繼續(xù)攪拌,得到黑灰色溶膠。(c)稱(chēng)取30mmol硼氫化鉀緩慢加入混合液中，加入過(guò)程中持續(xù)攪拌(溶膠中n (BH4) : n (Pb2+) =15)。(d)待所加全部硼氫化鉀溶解后，取出攪拌磁子。(2)恒溫反應(yīng)
將步驟(I)得到的混合物用保鮮膜封住燒杯口防止灰塵進(jìn)入，室溫下靜置24小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后，在反應(yīng)器底部得到石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合粉末沉淀物；(3)洗滌將步驟(2)得到的沉淀物用去離子水洗滌后采用離心分離，離心沉淀物重新在去離子水中分散，再次離心分離直到濾液PH值為7，最后用無(wú)水乙醇洗滌。離心沉降轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘。(4)干燥將過(guò)濾得到的粉末放在70°C真空烘箱(真空度<133Pa)中干燥12小時(shí)，得到石墨烯/締化鉛納米粉體。圖I中，曲線(xiàn)(a)為原料氧化石墨的X-射線(xiàn)衍射圖譜，在10.6°的衍射峰表明C (002)晶面層間距為O. 82納米；曲線(xiàn)(b)為單獨(dú)還原氧化石墨得到石墨烯的X-射線(xiàn)衍射 圖譜；衍射峰位置24°，對(duì)應(yīng)間距約O. 37納米，C(002)晶面層顯著減小說(shuō)明氧化石墨被還原得到石墨烯；曲線(xiàn)(c)為室溫下單獨(dú)合成碲化鉛納米顆粒的X-射線(xiàn)衍射圖譜；曲線(xiàn)(d)為實(shí)施例I中采用本發(fā)明室溫下合成石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料的X-射線(xiàn)衍射圖譜。衍射圖譜顯示實(shí)施例I合成的粉體含有碲化鉛和石墨烯兩種成分。圖2實(shí)施例I中合成石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料的透射電鏡照片。照片顯示20 60納米的PbTe顆粒均勻附著在石墨烯上。實(shí)施例2重復(fù)實(shí)施例1，但改變步驟(2)中的合成溫度，在50°C條件下得到石墨烯/碲化鉛納米粉體，經(jīng)X-射線(xiàn)衍射圖譜和透射電鏡確認(rèn)其結(jié)構(gòu)。實(shí)施例3重復(fù)實(shí)施例I，但改變步驟(2)中的合成溫度，在80°C條件下得到石墨烯/碲化鉛納米粉體。圖3是實(shí)施例3在80°C下合成石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料的透射電鏡照片。照片顯示PbTe納米顆粒附著在石墨烯上,但出現(xiàn)部分團(tuán)聚。實(shí)施例4重復(fù)實(shí)施例1，改變?nèi)芤褐腥洗姿徙U、二氧化碲、氫氧化鉀、氧化石墨以及硼氫化鉀的用量(使溶液中Pb元素濃度為O. Olmmoir1 ；Te元素濃度為O. OImmoIL-1 ;堿的濃度為O. Imol Γ1 ;氧化石墨濃度為O. 4gL^ ;n(BH4_) :n(Pb2+) =12。)，得到石墨烯/碲化鉛納米粉體，經(jīng)X-射線(xiàn)衍射圖譜和透射電鏡確認(rèn)其結(jié)構(gòu)。實(shí)施例5重復(fù)實(shí)施例1，改變?nèi)芤褐腥洗姿徙U、二氧化碲、氫氧化鉀、氧化石墨以及硼氫化鉀的用量(使溶液中Pb元素濃度為O. Immoir1 ；Te元素濃度為O. ImmoIL-1 ;堿的濃度為O. 5mol L-1 ;氧化石墨濃度為I. 5gL^ ；n (BH4O :η (Pb2+) =16。)，得到石墨烯/碲化鉛納米粉體，經(jīng)X-射線(xiàn)衍射圖譜和透射電鏡確認(rèn)其結(jié)構(gòu)。實(shí)施例6重復(fù)實(shí)施例1，但分別用硝酸鉛替代三水合醋酸鉛，得到石墨烯/碲化鉛納米粉體，經(jīng)X-射線(xiàn)衍射圖譜和透射電鏡確認(rèn)其結(jié)構(gòu)。實(shí)施例7
重復(fù)實(shí)施例1，但用亞碲酸鈉替代二氧化碲，得到石墨烯/碲化鉛納米粉體，經(jīng)X-射線(xiàn)衍射圖譜和透射電鏡確認(rèn)其結(jié)構(gòu)。 上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包含以下步驟 (1)將含鉛的無(wú)機(jī)物和含碲的化合物加入盛有去離子水的反應(yīng)器中，再加入堿，持續(xù)攪拌直到溶液變?yōu)橥该鞒吻澹? 加入氧化石墨，超聲分散使其充分溶解繼續(xù)攪拌得到混合溶膠，然后加入還原劑，充分溶解后停止攪拌； (2)將步驟(I)得到的混合物放入保溫設(shè)備中恒溫反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，在反應(yīng)器底部得到石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合粉末沉淀物； (3)將步驟(2)得到的石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合粉末沉淀物洗滌、離心分離，洗滌過(guò)濾； (4)將過(guò)濾得到的粉末真空干燥，得到石墨烯/碲化鉛納米粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的步驟(I)中加入含鉛的無(wú)機(jī)物和含碲的化合物后Pb元素的濃度為O. Ol O. Imol L—1，Te元素的濃度為O. 01 O. ImolL' 原子比 Pb:Te=I: I。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的步驟(I)中含鉛的無(wú)機(jī)鹽選自硝酸鉛或醋酸鉛。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的步驟(I)中含碲的化合物選自二氧化碲、亞碲酸鈉或亞碲酸鉀。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的步驟(I)中的堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀或氫氧化銣，其中加入堿后溶液中堿的濃度為O. I O. 5mol/Lo
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的步驟(I)中超聲分散時(shí)間為I 2小時(shí)； 或所述的步驟(I)中溶液中氧化石墨的濃度為O. Γ1. 5gL'
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的步驟(I)中還原劑選自硼氫化鉀或硼氫化鈉，其中摩爾比n (BH4_) :n (Pb2+) =12 16。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的步驟(2)中保溫設(shè)備為能控溫的水浴鍋或油浴鍋，恒溫反應(yīng)的溫度為室溫至80°C，恒溫反應(yīng)時(shí)間為12 24小時(shí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的步驟(3)中洗滌納米粉體是用去離子水清洗，采用離心機(jī)沉淀或抽濾設(shè)備進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾產(chǎn)物重新在去離子水中分散，反復(fù)過(guò)濾直到濾液PH值為7，最后用無(wú)水乙醇洗滌以方便干燥，其中離心沉降轉(zhuǎn)速為2000 4000轉(zhuǎn)/分鐘。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的步驟(4)中粉體在真空干燥箱中干燥，真空度<133Pa，溫度為50 80°C，時(shí)間8 20小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，涉及一種石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料的制備方法。該方法包含以下步驟將含鉛的無(wú)機(jī)物和含碲的化合物加入盛有去離子水的反應(yīng)器中，再加入堿，持續(xù)攪拌直到溶液變?yōu)橥该鞒吻澹尤胙趸?，使其充分溶解繼續(xù)攪拌得到混合溶膠，然后加入還原劑，充分溶解；將得到的混合物恒溫反應(yīng)，得到石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合粉末沉淀物；洗滌、離心分離，洗滌過(guò)濾；將粉末真空干燥，得到產(chǎn)品。本發(fā)明可大大降低復(fù)合材料的制造成本，工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，避免反應(yīng)中使用大量有機(jī)溶劑，有利于環(huán)保。合成的石墨烯/碲化鉛納米復(fù)合材料可廣泛用于太陽(yáng)能電池、熱電器件、紅外光學(xué)元件、紅外薄膜器件和半導(dǎo)體探測(cè)器等，應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號(hào)C01B19/04GK102910616SQ20121035986
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者蔡克峰, 汪元元, 姚熹 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)