一种醇热法制备石墨烯/Fe₃O₄复合粉体的方法

专利名称：一种醇热法制备石墨烯/Fe₃O₄复合粉体的方法
技术领域：
本发明属石墨烯/Fe3O4复合粉体的制备领域，特别是涉及一种醇热法制备石墨烯/Fe3O4复合粉体的方法。
背景技术：
石墨烯是2004年被发现的一种新型二维平面碳纳米材料，其特殊的单原子层结 构决定了它具有丰富且新奇的物理性能。过去几年里，石墨烯已经成为了备受瞩目的研究 热点。研究表明，石墨烯具有超薄、超坚固和超强导电性能等特性，可望在纳米电子器件、复 合材料、能量存储以及生物医学等领域获得广泛应用。近年来研究者发现，石墨烯基复合材料可以显著提高复合物的硬度、电导率等性 能。G. Williams等在ACS Nano 2 (2008) 1487-1491上报道了利用TiO2的光催化作用还原氧 化石墨制备得到石墨烯/TiO2复合物，2. 6 4nm的TiO2颗粒附着在大约2. 2nm厚的石墨烯 片上。Y. J. Kin等在Applied Physics Letters 95 (2009) 213101-1-213101-3 上报道了利用 气相外延法使ZnO纳米棒垂直生长在石墨烯表面。Y. Fan等在Carbon 48(2010) 1743-1749 上报道了采用机械球磨法制备得到石墨烯/Al2O3复合物粉末，将Al2O3的电导率提高了 13 16个数量级。除此之外，由于铁氧体优异的磁性能以及其在生物、医药等领域的应用潜力，石墨 烯与铁氧体的复合物也逐渐倍受关注。H. P. Cong等在Small 6(2) (2010) 169-173上报道 了将氧化石墨热还原制备得到石墨烯后再与Fe3O4进行复合制备石墨烯/Fe3O4复合物的方 法。然而目前制备石墨烯/Fe3O4复合物的方法主要存在以下缺陷工艺步骤较多、成 本较高，而且所制得的Fe3O4结晶不完全。因此寻找一步法制备结晶好、不易团聚、磁化强度 较高的石墨烯/Fe3O4复合物成为研究的热点。目前未见采用醇热法制备石墨烯/Fe3O4复合 粉体的报道。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种醇热法制备石墨烯/Fe3O4复合粉体的方 法，该制备方法简单，易于工业化生产；所制备的石墨烯/Fe3O4复合粉体中Fe3O4晶相纯、不 易团聚、与石墨烯复合良好、在石墨烯表面与层中分散性好，复合粉体电阻率小、磁化强度 尚ο本发明的一种醇热法制备石墨烯/Fe3O4复合粉体的方法，包括(1)反应液的配置在室温下，称取质量比为1 1 1 100的氧化石墨、铁盐，分散到浓度为 98wt% 99. 5衬％的乙二醇溶液中，待完全溶解后加入为乙二醇体积1/50 1/25的聚乙 二醇，再加入与铁盐中Fe3+的摩尔数之比为8 1 12 1的无水乙酸钠，搅拌，使上述物 质溶解，形成反应液；
(2)溶剂热反应将上述反应液放入反应釜中，升温至180 220°C，反应8 16h ；(3)石墨烯/Fe3O4复合粉体的收集与洗涤冷却至室温，用磁铁收集产物，去离子水洗涤产物，烘干即得。所述步骤(1)中的铁盐为六水合三氯化铁FeCl3 · 6H20o所述步骤(1)中的铁盐与乙二醇的质量体积比为Ig 20 1000ml。所述步骤(1)中的聚乙二醇的分子量为200 1000。所述步骤(1)中的搅拌速度为300 600转/min，时间为20 40min。所述步骤(3)中的烘干温度为40 80°C，时间为12 24h。通过调节氧化石墨、铁盐的比例，得到不同组成的石墨烯/Fe3O4复合粉体。本制备方法相对于普通的液相法，磁性纳米颗粒在有机相中更稳定，不易生成杂 质相。由于在液相中，磁性纳米粒子因受到溶液离子强烈的静电吸引力的作用极易团聚，因 此本方法选用静电稳定性好的无水乙酸钠作为碱性试剂加入，以防止Fe3O4的大规模团聚。有益效果(1)本发明的制备方法简单，对生产设备要求低，易于工业化生产；(2)所制备的石墨烯/Fe3O4复合粉体中Fe3O4晶相纯、不易团聚、与石墨烯复合良 好、在石墨烯表面与层中分散性好，复合粉体电阻率小、磁化强度高。


图1为合成粉体的透射电镜照片；图2为合成粉体的高分辨透射电镜照片；图3为合成粉体的X射线衍射图；图4为合成粉体的磁滞回线图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。实施例1称取500mg高氯化铁、50mg氧化石墨，加入三颈烧瓶，再加入50ml乙二醇，充分 搅拌。再加入0. 92g无水乙酸钠、1. 5ml聚乙二醇200、在转数为500转/分钟下机械搅拌 30min，待完全溶解后，再将上述溶液倒入反应釜中，升温至200°C，反应12h。反应结束，用 磁铁收集产物，并用去离子水洗涤产物，然后将产物在60°C下干燥16h，得到石墨烯/Fe3O4 复合粉体。图1为本实施例合成粉体的透射电镜照片，可以看出=Fe3O4纳米微球粒径在 100 200nm，Fe3O4纳米微球均勻地附着在石墨烯表面与层间，没有观察到游离于石墨烯 之外的Fe3O4颗粒。图2为本实施例合成粉体的高分辨透射电镜照片，可以看出该复合粉 体中的Fe3O4纳米微球是由多个Fe3O4纳米晶粒定向聚集而成，其晶粒大小约为5nm，晶面间 距约为0. 25nm ；该复合粉体中的石墨烯片是由5 20层石墨烯组成，石墨烯的层间距约为0.34nm。图3为本实施例合成粉体的X射线衍射图，图中的衍射峰表明该复合粉体中的纳米颗粒为Fe304。图4为本实施例合成粉体的磁滞回线图，可以看出该复合粉体的磁化强 度较高，达到63. 3emu/g。电阻率测试结果表明该复合粉体的电阻率为0. 989 Ω/cm，其具 有良好的导电性能。实施例2称取50mg高氯化铁、50mg氧化石墨，加入三颈烧瓶，再加入50ml乙二醇，充分搅 拌。再加入80mg无水乙酸钠、1. Oml聚乙二醇400、在转数为300转/分钟下机械搅拌40min， 待完全溶解后，再将上述溶液倒入反应釜中，升温至220°C，反应8h。反应结束，用磁铁收集 产物，并用去离子水洗涤产物，然后将产物在40°C下干燥24h，得到石墨烯/Fe3O4复合粉体。 透射电镜观察表明=Fe3O4纳米微球粒径在100 200nm，与石墨烯复合良好。高分辨透射 电镜观察表明该复合粉体中的Fe3O4纳米微球是由多个Fe3O4纳米晶粒定向聚集而成，石 墨烯片是由5 20层石墨烯组成。XRD测试结果表明该复合粉体中的纳米颗粒为Fe304。 磁滞回线图测试表明该复合粉体具有良好的磁性能。电阻率测试结果表明该复合粉体 具有良好的导电性能。实施例3称取2. 5g高氯化铁、25mg氧化石墨，加入三颈烧瓶，再加入50ml乙二醇，充分搅 拌。再加入9. Og无水乙酸钠、2. Oml聚乙二醇1000、在转数为600转/分钟下机械搅拌 20min，待完全溶解后，再将上述溶液倒入反应釜中，升温至180°C，反应16h。反应结束，用 磁铁收集产物，并用去离子水洗涤产物，然后将产物在80°C下干燥12h，得到石墨烯/Fe3O4 复合粉体。透射电镜观察表明=Fe3O4纳米微球粒径在100 200nm，与石墨烯复合良好。高 分辨透射电镜观察表明该复合粉体中的Fe3O4纳米微球是由多个Fe3O4纳米晶粒定向聚集 而成，石墨烯片是由5 20层石墨烯组成。XRD测试结果表明该复合粉体中的纳米颗粒 为Fe304。磁滞回线图测试表明该复合粉体具有良好的磁性能。电阻率测试结果表明该 复合粉体具有良好的导电性能。
权利要求
一种醇热法制备石墨烯/Fe3O4复合粉体的方法，包括(1)反应液的配置在室温下，称取质量比为1∶1～1∶100的氧化石墨、铁盐，分散到浓度为98wt％～99.5wt％的乙二醇溶液中，待完全溶解后加入为乙二醇体积1/50～1/25的聚乙二醇，再加入与铁盐中Fe3+的摩尔数之比为8∶1～12∶1的无水乙酸钠，搅拌，使上述物质溶解，形成反应液；(2)溶剂热反应将上述反应液放入反应釜中，升温至180～220℃，反应8～16h；(3)石墨烯/Fe3O4复合粉体的收集与洗涤冷却至室温，用磁铁收集产物，去离子水洗涤产物，烘干即得。
2.根据权利要求1所述的一种醇热法制备石墨烯/Fe3O4复合粉体的方法，其特征在于 所述步骤(1)中的铁盐为六水合三氯化铁FeCl3 · 6H20o
3.根据权利要求1所述的一种醇热法制备石墨烯/Fe3O4复合粉体的方法，其特征在于 所述步骤(1)中的铁盐与乙二醇的质量体积比为Ig 20 1000ml。
4.根据权利要求1所述的一种醇热法制备石墨烯/Fe3O4复合粉体的方法，其特征在于 所述步骤(1)中的聚乙二醇的分子量为200 1000。
5.根据权利要求1所述的一种醇热法制备石墨烯/Fe3O4复合粉体的方法，其特征在于 所述步骤(1)中的搅拌速度为300 600转/min，时间为20 40min。
6.根据权利要求1所述的一种醇热法制备石墨烯/Fe3O4复合粉体的方法，其特征在于 所述步骤(3)中的烘干温度为40 80°C，时间为12 24h。
全文摘要
本发明涉及一种醇热法制备石墨烯/Fe3O4复合粉体的方法，包括(1)在室温下，称取氧化石墨、铁盐，分散到乙二醇溶液中，待完全溶解后加入聚乙二醇，再加入无水乙酸钠，搅拌，形成反应液；(2)放入反应釜中，升温至180～220℃，反应8～16h；(3)冷却至室温，用磁铁收集产物，去离子水洗涤产物，烘干即得。本发明的制备方法简单，易于工业化生产；所制备的石墨烯/Fe3O4复合粉体中Fe3O4晶相纯、不易团聚、与石墨烯复合良好、在石墨烯表面与层中分散性好，复合粉体电阻率小、磁化强度高。
文档编号C01B31/04GK101837971SQ20101017490
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者侯成义, 张青红, 朱美芳, 李耀刚, 王宏志 申请人:东华大学