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一种片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料及制备方法   0    0

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专利申请流程有哪些步骤?
专利申请流程图
申请
申请号:指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。
申请日:提出专利申请之日。
2020-06-02
申请公布
申请公布指发明专利申请经初步审查合格后,自申请日(或优先权日)起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。
申请公布号:专利申请过程中,在尚未取得专利授权之前,国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。
申请公布日:申请公开的日期,即在专利公报上予以公开的日期。
2020-11-06
授权
授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由,授予发明专利权;或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由,授予实用新型专利权或外观设计专利权。
2022-07-12
预估到期
发明专利权的期限为二十年,实用新型专利权期限为十年,外观设计专利权期限为十五年,均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。
2040-06-02
基本信息
有效性 有效专利 专利类型 发明专利
申请号 CN202010487037.7 申请日 2020-06-02
公开/公告号 CN111792676B 公开/公告日 2022-07-12
授权日 2022-07-12 预估到期日 2040-06-02
申请年 2020年 公开/公告年 2022年
缴费截止日
分类号 C01G49/06C01B32/19B82Y40/00 主分类号 C01G49/06
是否联合申请 独立申请 文献类型号 B
独权数量 1 从权数量 3
权利要求数量 4 非专利引证数量 0
引用专利数量 5 被引证专利数量 0
非专利引证
引用专利 CN104528836A、CN105329851A、CN106854389A、CN109243832A、JPH08109022A 被引证专利
专利权维持 2 专利申请国编码 CN
专利事件 事务标签 公开、实质审查、授权
申请人信息
申请人 第一申请人
专利权人 杭州电子科技大学 当前专利权人 杭州电子科技大学
发明人 徐军明、计晨铭、胡振明、朱安福 第一发明人 徐军明
地址 浙江省杭州市下沙高教园区 邮编 310018
申请人数量 1 发明人数量 4
申请人所在省 浙江省 申请人所在市 浙江省杭州市
代理人信息
代理机构
专利代理机构是经省专利管理局审核,国家知识产权局批准设立,可以接受委托人的委托,在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。
浙江永鼎律师事务所 代理人
专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务,取得一定资格的人。
陆永强
摘要
本发明公开了一种片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料及其制备方法,采用铁粉为铁源,添加微量丙三醇作为结构导向剂,制备的氧化铁纳米片的尺寸均匀,氧化铁纳米片在多层石墨烯表面均匀分布。具体的制备过程:配制DMF和水的混合溶剂,加入膨胀石墨进行超声处理获得多层石墨烯分散液;将丙三醇、乙酸钠加入加分散液中磁力搅拌均匀;随后将分散液放入90℃水浴中,在磁力搅拌条件下,将一定量的铁粉和稀硝酸依次加入到多层石墨烯分散液中;反应一定时间,取出后经离心清洗后获得片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料。本发明制备工艺简单,适合工业化生产。
  • 摘要附图
    一种片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料及制备方法
  • 说明书附图:图1
    一种片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料及制备方法
  • 说明书附图:图2
    一种片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料及制备方法
  • 说明书附图:图3
    一种片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料及制备方法
  • 说明书附图:图4
    一种片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料及制备方法
  • 说明书附图:图5
    一种片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料及制备方法
法律状态
序号 法律状态公告日 法律状态 法律状态信息
1 2022-07-12 授权
2 2020-11-06 实质审查的生效 IPC(主分类): C01G 49/06 专利申请号: 202010487037.7 申请日: 2020.06.02
3 2020-10-20 公开
权利要求
权利要求书是申请文件最核心的部分,是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。
1.一种片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S10,量取体积比为8:2的DMF和去离子水,混合均匀后作为混合溶剂,称取膨胀石墨,加入到混合溶剂中,进行超声处理获得多层石墨烯分散液,膨胀石墨相对于混合溶剂的浓度为0.5 2mg/mL;
~
步骤S20,量取丙三醇加入到分散液中,丙三醇与混合溶剂的体积比为0.001 0.003;称~
取无水乙酸钠加入到分散液中,无水乙酸钠相对于混合溶剂的浓度为20mg/mL;然后,磁力搅拌均匀,得反应前驱液;在步骤S20中,丙三醇的添加,能够引导氧化铁生长成圆片状;
步骤S30,将反应前驱液放入90℃水浴中磁力搅拌下,称取高纯铁粉加入到反应前驱液中,铁粉相对于混合溶剂的浓度为3 5mg/mL;量取浓度为2mol/L的稀硝酸溶液加入到反应~
前驱液中,稀硝酸溶液的体积与混合溶剂的体积比为0.15 0.2, 得反应溶液;
~
步骤S40,将反应溶液在90℃水浴中磁力搅拌下,反应5 10小时,转速300转/分钟;
~
步骤S50,反应溶液冷却后进行离心清洗,干燥后得到圆片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料;
上述方法制备的复合材料,氧化铁纳米片在多层石墨烯表面均匀分散,在多层石墨烯表面呈垂直、平行及倾斜分布,氧化铁纳米片之间具有空隙;其中,氧化铁纳米片为圆片形,圆片的尺寸均匀,片层厚度在10~20nm,圆的直径为100~200nm。

2.权利要求1所述的片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,在步骤S30中,采用铁粉作为铁源一分法获得圆片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料。

3.权利要求1所述的片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,在步骤S30中,铁粉粒径为10 50μm。
~

4.权利要求1所述的片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,在步骤S50中,离心清洗采用3次去离子水,3次酒精离心清洗,离心机速度为6000转/分;
洗后放置烘箱中70℃干燥24小时。
说明书

技术领域

[0001] 本发明属于材料技术领域,特别涉及一种片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法。本发明材料在光催化、环境治理、储能等领域具有潜在的应用。

背景技术

[0002] 纳米Fe2O3颗粒可以用作催化剂、储能材料和颜料等方面。但纳米Fe2O3颗粒小、易产生团聚而导致失效。因而,将纳米Fe2O3负载到其它载体上,可以保持Fe2O3的分散性,有效减少团聚,提高使用寿命。石墨烯是一种良好的载体,其结构非常稳定,具有优异的电输运性能、机械性能和表面化学性能。
[0003] 目前,在石墨烯表面制备的Fe2O3大多数为球形纳米颗粒。与球形纳米Fe2O3颗粒相比,片状纳米Fe2O3具有更大的比表面积,在石墨烯表面更不易形成堆积,从而使氧化铁/多层石墨烯在催化、储能等领域表现出更优异的性能。
[0004] 然而,目前石墨烯表面片状Fe2O3制备过程复杂,片状氧化铁尺寸不均匀,还有只能平铺在石墨烯表面。
[0005] 针对现有技术存在的缺陷,本发明提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。

发明内容

[0006] 针对背景技术中存在问题,本发明提出一种片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料及其制备方法,采用一种简单的制备工艺,直接采用微米级的铁粉作为铁源,以丙三醇为结构导向剂直接制备片状纳米氧化铁与碳材料的复合材料,并将片状纳米Fe2O3颗粒均匀分布在多层石墨烯上。
[0007] 为解决现有技术存在的技术问题,本发明的技术方案如下:
[0008] 一种片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料,氧化铁纳米片在多层石墨烯表面均匀分散,在多层石墨烯表面呈垂直、平行及倾斜分布,氧化铁纳米片之间具有空隙;其中,氧化铁纳米片为圆片形,圆片的尺寸均匀,片层厚度在10~20nm,圆的直径为100~200nm;多层石墨烯为膨胀石墨在混合有机溶剂中通过机械剥离获得。
[0009] 本发明还公开了一种片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料的制备方法,包括以下步骤:
[0010] 步骤S10,量取体积比为8:2的DMF和去离子水,混合均匀后作为混合溶剂,称取膨胀石墨,加入到混合溶剂中,进行超声处理5小时,获得多层石墨烯分散液,膨胀石墨相对于混合溶剂的浓度为0.5~2mg/mL;
[0011] 步骤S20,量取丙三醇(AR)加入到分散液中,丙三醇与混合溶剂的体积比为0.001~0.003;称取无水乙酸钠加入到分散液中,无水乙酸钠相对于混合溶剂的浓度为20mg/mL;然后,磁力搅拌均匀,得反应前驱液。
[0012] 步骤S30,将反应前驱液放入90℃水浴中磁力搅拌下,称取高纯铁粉(粒径10~50μm)加入到反应前驱液中,铁粉相对于混合溶剂的浓度为3~5mg/mL;量取稀硝酸溶液(浓度为2mol/L)加入到反应前驱液中,稀硝酸溶液的体积与混合溶剂的体积比为0.15~0.2;然后得反应溶液。
[0013] 步骤S40,反应溶液在90℃水浴中磁力搅拌下,反应5~10小时,转速300转/分钟;
[0014] 步骤S50,反应溶液冷却后进行离心清洗,离心清洗采用3次去离子水,3次酒精离心清洗,离心机速度为6000转/分;洗后放置烘箱中70℃干燥24小时,干燥后得到片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料。
[0015] 作为进一步的改进方案,多层石墨烯作为基底,丙三醇作为表面活性剂,使得生成片状纳米Fe2O3颗粒并且在多层石墨烯表面均匀分布;其中,片状Fe2O3纳米颗粒直径尺寸在200纳米左右,厚度约为20纳米左右,且颗粒之间具有空隙。
[0016] 在上述技术方案中,由于多层石墨烯表面的分子力均匀,使片状纳米氧化铁分布比较均匀。同时,分子力的作用力小,只能吸附少量的片状纳米氧化铁颗粒,使片状纳米氧化铁不容易产生团聚。
[0017] 与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
[0018] (1)由于本发明的制备原理,所得到圆片状纳米Fe2O3能以各种角度沉积在多层石墨烯表面,且在多层石墨烯表面分布均匀,Fe2O3之间具有一定的空隙。
[0019] (2)以微量的丙三醇为结构导向剂,改变了溶液表面张力,就能够使生成的纳米Fe2O3为片状,从而增加了氧化铁与电解液的接触面积,提高了纳米氧化铁的活性,进而提高了复合材料的电化学性能。
[0020] (3)采用铁粉直接一步制备纳米氧化铁纳米颗粒,铁粉来源广泛,制备过程控制简单,制备成本低。本发明复合材料的制备效率高,制备成本低,适合大规模生产。
[0021] (4)基底多层石墨烯的制备简单,成本低,不需要对多层石墨烯表面进行活化处理即能沉积Fe2O3纳米颗粒。

实施方案

[0027] 为了能更好说明本发明的流程和方案,结合附图和实施例对以下发明进行进一步的说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0028] 为了解决现有技术存在的技术问题,参见图1,所示为本发明提出一种片状纳米氧化铁颗粒均匀分布在多层石墨烯上的制备方法步骤流程图,包括以下步骤:
[0029] 步骤S10,量取体积比为8:2的DMF和去离子水,混合均匀后作为混合溶剂,称取膨胀石墨,加入到混合溶剂中,进行超声处理5小时,获得多层石墨烯分散液,膨胀石墨相对于混合溶剂的浓度为0.5~2mg/mL;
[0030] 步骤S20,量取丙三醇(AR)加入到分散液中,丙三醇与分散液的体积比为0.001~0.003;称取无水乙酸钠加入到分散液中,无水乙酸钠相对于混合溶剂的浓度为20mg/mL;然后,磁力搅拌均匀,得反应前驱液。
[0031] 步骤S30,将反应前驱液放入90℃水浴中磁力搅拌下,称取高纯铁粉(粒径10~50μm)加入到反应前驱液中,铁粉相对于混合溶剂的浓度为3~5mg/mL;量取稀硝酸溶液(浓度为2mol/L)加入到反应前驱液中,稀硝酸溶液的体积与混合溶剂的体积比为0.15~0.2;然后得反应溶液。
[0032] 步骤S40,反应溶液在90℃水浴中磁力搅拌下,反应5~10小时,转速300转/分钟;
[0033] 步骤S50,反应溶液冷却后进行离心清洗,离心清洗采用3次去离子水,3次酒精离心清洗,离心机速度为6000转/分;洗后放置烘箱中70℃干燥24小时,干燥后得到片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料。
[0034] 在上述技术方案中,纳米氧化铁在表面活性剂丙三醇的作用下,生成类似圆片状形貌的氧化铁。生成的片状纳米氧化铁颗粒通过分子力被多层石墨烯吸附并沉积在。多层石墨烯表面。由于多层石墨烯表面的分子力均匀,使片状纳米氧化铁分布比较均匀。同时,分子力的作用力小,只能吸附少量的片状纳米氧化铁颗粒,使片状纳米氧化铁不容易产生堆积。
[0035] 实例化1
[0036] 量取8mLDMF和2mL去离子水,混合均匀后作为混合溶剂,称取15mg膨胀石墨,加入到混合溶剂中,进行超声处理5小时,获得多层石墨烯分散液。量取20μL丙三醇(AR)加入多层石墨烯分散液中,再加入200mg无水乙酸钠(分析纯),并将其移至90℃水浴锅中,在水浴搅拌的状态下,在多层石墨烯分散液中依次加入40mg市售高纯铁粉(粒径10~50μm),1.6ml浓度为2mol/L的稀硝酸,然后在90℃、300转每分钟转速下水浴搅拌10小时。将反应后的产物进行3次去离子水,3次酒精的离心清洗,清洗后放置烘箱中70℃干燥24小时后,得到干燥的片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料粉末。
[0037] 将制备得到的复合材料粉末进行SEM观察,图2和图3是不同倍数下的SEM图。从图中可以发现片状氧化铁纳米颗粒的尺寸小,直径在200nm左右,厚度在20nm左右,在多层石墨烯表面分布均匀。
[0038] 将制备得到的复合材料粉末制备成电极片,在‑1.3V到‑0.3V的电压窗口和5mV/s2+ 3+
扫描速率的测试环境下,测得循环伏安曲线,如图4,可以观察到Fe /Fe 的氧化还原峰非常强。在‑1.2V到‑0.4V的电压窗口和2A/g电流密度的测试环境下,测得恒流充放电曲线,如图5,可以计算得到比容量达到675F/g。
[0039] 实例化2
[0040] 量取8mLDMF和2mL去离子水,混合均匀后作为混合溶剂,称取10mg膨胀石墨,加入到混合溶剂中,进行超声处理5小时,获得多层石墨烯分散液。量取30μL丙三醇(AR)加入多层石墨烯分散液中,再加入200mg无水乙酸钠(分析纯),并将其移至90℃水浴锅中,在水浴搅拌的状态下,在多层石墨烯分散液中依次加入30mg市售高纯铁粉(粒径10~50μm),1.5ml浓度为2mol/L的稀硝酸,然后在90℃、300转每分钟转速下水浴搅拌8小时。将反应后的产物进行3次去离子水,3次酒精的离心清洗,清洗后放置烘箱中70℃干燥24小时后,得到干燥的片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料粉末。
[0041] 实例化3
[0042] 量取8mLDMF和2mL去离子水,混合均匀后作为混合溶剂,称取5mg膨胀石墨,加入到混合溶剂中,进行超声处理5小时,获得多层石墨烯分散液。量取20μL丙三醇(AR)加入多层石墨烯分散液中,再加入200mg无水乙酸钠(分析纯),并将其移至90℃水浴锅中,在水浴搅拌的状态下,在多层石墨烯分散液中依次加入50mg市售高纯铁粉(粒径10~50μm),2.0ml浓度为2mol/L的稀硝酸,然后在90℃、300转每分钟转速下水浴搅拌7小时。将反应后的产物进行3次去离子水,3次酒精的离心清洗,清洗后放置烘箱中70℃干燥24小时后,得到干燥的片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料粉末。
[0043] 实例化4
[0044] 量取8mLDMF和2mL去离子水,混合均匀后作为混合溶剂,称取15mg膨胀石墨,加入到混合溶剂中,进行超声处理5小时,获得多层石墨烯分散液。量取10μL丙三醇(AR)加入多层石墨烯分散液中,再加入200mg无水乙酸钠(分析纯),并将其移至90℃水浴锅中,在水浴搅拌的状态下,在多层石墨烯分散液中依次加入40mg市售高纯铁粉(粒径10~50μm),1.6ml浓度为2mol/L的稀硝酸,然后在90℃、300转每分钟转速下水浴搅拌5小时。将反应后的产物进行3次去离子水,3次酒精的离心清洗,清洗后放置烘箱中70℃干燥24小时后,得到干燥的片状氧化铁纳米颗粒/多层石墨烯复合材料粉末。
[0045] 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0046] 对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

附图说明

[0022] 图1为本发明实施例1的多层石墨烯上均匀分布的片状纳米Fe2O3的制备方法的步骤流程图;
[0023] 图2为本发明实施例1的多层石墨烯上均匀分布的片状纳米Fe2O3的制备方法的低倍扫描电镜图;
[0024] 图3为本发明实施例1的多层石墨烯上均匀分布的片状纳米Fe2O3的制备方法的高倍扫描电镜图;
[0025] 图4为本发明实施例1的片状纳米Fe2O3/多层石墨烯复合材料制备的超级电容器电极材料在5mV/s电压扫描速率下的CV图;
[0026] 图5为本发明实施例1的片状纳米Fe2O3//多层石墨烯复合材料制备的超级电容器电极材料在2A/g电流密度下的充放电曲线;
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