[发明专利]一种层状石墨烯/金属氧化物纳米复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种层状石墨烯/金属氧化物纳米复合材料及其制备方法。将层状石墨烯框架材料颗粒浸入金属盐溶液中并过滤得到包含金属盐溶液的湿态层状石墨烯框架材料颗粒；湿态层状石墨烯框架材料颗粒经沉淀并干燥或直接干燥获得层状石墨烯框架材料/金属氧化物前驱体复合物；层状石墨烯框架材料/金属氧化物前驱体复合物经煅烧得到层状石墨烯/金属氧化物纳米复合材料。与现有技术相比，本发明所涉及原材料价格低廉，反应条件温和，工艺简单。本发明所得层状石墨烯/金属氧化物纳米复合材料由周期性交替平行排列的单层石墨烯片和金属氧化物层构成，具有可调的结构和组成，可用于生物检测、化学催化、电化学储能、气体分离、废水处理、环境保护领域等多个领域。

技术领域

本发明属于纳米复合材料领域，涉及层状石墨烯/金属氧化物纳米复合材料及其制备方法。具体为将层状石墨烯框架材料颗粒浸入金属盐溶液中并过滤得到包含金属盐溶液的湿态层状石墨烯框架材料颗粒；所述湿态层状石墨烯框架材料颗粒经沉淀并干燥或直接干燥获得层状石墨烯框架材料/金属氧化物前驱体复合物；所述层状石墨烯框架材料/金属氧化物前驱体复合物经煅烧得到层状石墨烯/金属氧化物纳米复合材料。

背景技术

石墨烯是由单层碳组成的二维晶格结构，是sp²杂化碳原子构成的高密度原子层排列形成的蜂窝网状结构，单层石墨烯的厚度只有0.34 nm。自2004年被首次被发现以来，石墨烯就凭借其优异的导电性（电荷迁移率可达200000 cm²V^-1s^-1）、力学性能（石墨烯的理论杨氏模量达1.0 TPa，固有的拉伸强度为130 GPa）、导热性能（导热系数高达5300 Wm^-1K^-1）和超大的比表面积（理论比表面积2630 m²g^-1）在电子器件、导电油墨、透明导电膜以及聚合物复合物等领域表现出广泛的应用前景。金属氧化物具有很多独特的性能，如电化学性能、催化性能、磁性等。而纳米化的金属氧化物因其纳米颗粒粒径小，比表面积大，表现出一些特殊的声、光、电、磁等性能，可用于多种功能元件的制造，在光学、电子学、传感器、催化、储能等众多领域存在广泛应用潜力。不难想象，如果将石墨烯与金属氧化物复合有望获得性能更加优异的纳米复合材料。但是现有制备石墨烯/金属氧化物纳米复合材料的方法通常采用石墨烯与金属氧化物纳米粒子物理共混，或者在已有石墨烯材料表面生长金属氧化物纳米粒子。由于石墨烯材料表面的惰性，这些方法制备的到的石墨烯/金属氧化物复合材料存在金属氧化物负载量通常不高，金属氧化物分布不均匀存在分相等问题，难以得到均匀的石墨烯/金属氧化物纳米复合材料。因此，如何获得高负载量并且负载量精确可调的石墨烯/金属氧化物复合材料，同时实现石墨烯与金属氧化物的均匀复合，特别是石墨烯与金属氧化物层层周期性排列的复合材料，成为亟待解决的难题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，本发明提供了一种层状石墨烯/金属氧化物纳米复合材料及其制备方法。本发明制备的层状石墨烯/金属氧化物纳米复合材料由周期性交替平行排列的单层石墨烯片和金属氧化物层构成，具有可调的结构和组成，可用于生物检测、化学催化、电化学储能、气体分离、废水处理、环境保护领域等多个领域。

本发明提出的一种层状石墨烯/金属氧化物纳米复合材料，所述层状石墨烯/金属氧化物纳米复合材料由周期性交替平行排列的单层石墨烯片和金属氧化物层构成，其中：石墨烯片层与金属氧化物层的质量比为100: 1~10000。

本发明中，金属氧化物层厚度为0.5-50 纳米，金属氧化物层的厚度可以通过调节金属氧化物的含量实现精确可控调节。

本发明中，所述金属氧化物层采用的金属元素为铁、铝、镁、钛、锌、铬、铜、锰、钡、镍、钴、锆、锡、银或钨中的一种或几种混合。

本发明提出的一种层状石墨烯/金属氧化物纳米复合材料的制备方法，具体步骤如下：