石墨烯燃烧快速还原制备金属单质或金属氧化物纳米材料的方法与流程

本发明涉及一种基于石墨烯燃烧将金属盐快速、简单、高效还原制备得到金属单质或金属氧化物纳米材料的方法。

背景技术：

金属或金属氧化物纳米材料在锂电池、染料电池、光催化领域具有重要的作用。目前金属纳米材料的制备方法有：高温热分解法、金属化合物还原法、等离子体激光还原法和光化学反应法等。然而这些方法均需要较高的温度（大于1000 ℃），从而严重制约了这些方法在工业上的生产应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种石墨烯燃烧快速还原制备金属单质或金属氧化物纳米材料的方法。

本发明利用石墨烯作为还原剂，将金属盐与石墨烯的混合物在空气中燃烧后即可得到金属单质或金属氧化物纳米材料。对于活泼金属盐，该方法用于制备金属氧化物的纳米颗粒。本发明将石墨烯用于热碳还原领域，巧妙地实现了金属盐的低温还原制备过程，从而大幅度降低了金属纳米材料的制备成本，提高利用效率。

一种石墨烯燃烧快速还原制备金属单质或金属氧化物纳米材料的方法，其特征在于具体步骤为：将金属硝酸盐加入氧化石墨烯水悬浮液中超声4-30 min，然后用定量滤纸抽滤，在滤纸上得到金属硝酸盐与石墨烯的混合物，抽滤时不可用水洗涤；将混合物于35-55 ℃ 烘干后，于酒精灯上点燃，待黑色石墨烯完全燃烧后，即可得到纤维状的金属单质膜或颗粒状的金属氧化物纳米材料。

所述金属硝酸盐与氧化石墨烯的质量比为1:4- 25:1。

所述氧化石墨烯水悬浮液的浓度为1-20 g/L。

所述金属硝酸盐为硝酸银、硝酸铜、硝酸锌、硝酸铬或硝酸镉。

本发明利用石墨烯作为热碳还原剂，以滤纸为模板，实现了金属银纳米膜的一步法快速制备，得到的金属膜为纤维状纳米膜，其表面分布着大量纳米级的孔洞，具有良好的导电性。该方法还可以用于铜纳米膜的快速制备。对于较难还原的活泼金属盐，该方法可以制备相应的金属氧化物纳米颗粒，所得金属氧化物颗粒约为20 nm，形状规整，是潜在的赝电容材料。

本发明具有以下优点：

1）该方法不需要隔绝氧气或空气，不需要高温，因此反应过程简便、经济、快速。

2）该方法通过燃烧法制备金属单质或金属氧化物纳米材料，燃烧的副产物为易处理的气体（二氧化碳和二氧化氮），因此比较绿色环保。

3）该方法不需要复杂的反应过程和高级的反应容器，成本低，具有大规模应用的潜力。

附图说明

图1为金属或金属氧化物纳米材料的制备路线图。

图2为所制备得到的银纳米纤维膜的表征图，其中A为纳米银膜照片图；B为纳米银膜扫描电镜图；C为纳米银膜的扫描电镜高分辨图；D为纳米银膜的XRD。

图3为纳米氧化锌的表征图，其中A为纳米氧化锌的扫描电镜图；B为纳米氧化锌的透射电镜图；C为纳米氧化锌的XRD。

具体实施方式

实施例1 石墨烯燃烧制备纳米银纤维膜纳米颗粒

操作步骤：

1.首先配置1 g/L的氧化石墨烯悬浮液2 mL，常温超声10 min。

2.称取50 mg硝酸银，溶解于上述悬浮液中，超声2 min。

3.利用定量滤纸抽滤上述溶液。

4.将滤纸及残留物于35 ℃烘干。

5.将带有残留物的滤纸点燃，烧结至白色银膜出现。

实施例2 石墨烯燃烧制备纳米铜纤维膜

操作步骤：

1.首先配置1 g/L的氧化石墨烯悬浮液2 mL，常温超声10 min。

2.称取50 mg硝酸铜，溶解于上述悬浮液中，超声2 min。

3.利用定量滤纸抽滤上述溶液。

4.将滤纸及残留物于35 ℃烘干。

5.于酒精灯点燃，烧结至红色铜膜出现。

实施例3 石墨烯燃烧制备氧化铬纳米颗粒

操作步骤：

1.首先配置1 g/L的氧化石墨烯悬浮液2 mL，常温超声10 min。

2.称取50 mg硝酸铬，溶解于上述悬浮液中，超声4 min。

3.利用定量滤纸抽滤上述溶液。

4.将滤纸及残留物于35 ℃烘干。

5.于酒精灯点燃，烧结至灰色氧化铬纳米颗粒出现。

实施例4 石墨烯燃烧制备氧化铬纳米颗粒

操作步骤：

1.首先配置2 g/L的氧化石墨烯悬浮液2 mL，常温超声5 min。

2.称取50 mg硝酸铬，溶解于上述悬浮液中，超声5 min。

3.利用定量滤纸抽滤上述溶液。

4.将滤纸及残留物于35 ℃烘干。

5.于酒精灯点燃，烧结至灰色氧化铬纳米颗粒出现。

实施例5 石墨烯燃烧制备氧化镉纳米颗粒

操作步骤：

1.首先配置10 g/L的氧化石墨烯悬浮液10 mL，常温超声10 min。

2.称取50 mg硝酸镉，溶解于上述悬浮液中，超声20 min。

3.利用定量滤纸抽滤上述溶液。

4.将滤纸及残留物于40 ℃烘干。

5.于酒精灯点燃，烧结至灰色氧化镉纳米颗粒出现。

实施例6 石墨烯燃烧制备纳米银纤维膜

操作步骤：

1.首先配置20 g/L的氧化石墨烯悬浮液20 mL，常温超声10 min。

2.称取100 mg硝酸银，溶解于上述悬浮液中，超声20 min。

3.利用定量滤纸抽滤上述溶液。

4.将滤纸及残留物于50 ℃烘干。

5.于酒精灯点燃，烧结至白色银膜出现。

实施例7 石墨烯燃烧制备纳米银纤维膜

操作步骤：

1.首先配置20 g/L的氧化石墨烯悬浮液20 mL，常温超声20 min。

2.称取200 mg硝酸银，溶解于上述悬浮液中，超声30 min。

3.利用定量滤纸抽滤上述溶液。

4.将滤纸及残留物于50 ℃烘干。

5.于酒精灯点燃，烧结至白色银膜出现。

实施例8 石墨烯燃烧制备纳米银纤维膜

操作步骤：

1.首先配置10 g/L的氧化石墨烯悬浮液20 mL，常温超声10 min。

2.称取500 mg硝酸银，溶解于上述悬浮液中，超声30 min 。

3.利用定量滤纸抽滤上述溶液。

4.将滤纸及残留物于55 ℃烘干。

5.于酒精灯点燃，烧结至白色银膜出现。

实施例9 石墨烯燃烧制备氧化锌纳米颗粒

操作步骤：

1.首先配置10 g/L的氧化石墨烯悬浮液 20 mL，常温超声10 min。

2.称取200 mg硝酸锌，溶解于上述悬浮液中，超声20 min。

3.利用定量滤纸抽滤上述溶液。

4.将滤纸及残留物于55 ℃烘干。

5.于酒精灯点燃，烧结至灰色氧化锌纳米颗粒出现。

实施例10 石墨烯燃烧制备氧化锌纳米颗粒

操作步骤：

1.首先配置20 g/L的氧化石墨烯悬浮液 20 mL，常温超声10 min。

2.称取500 mg硝酸锌，溶解于上述悬浮液中，超声20 min。

3.利用定量滤纸抽滤上述溶液。

4.将滤纸及残留物于55 ℃烘干。

5.于酒精灯点燃，烧结至灰色氧化锌纳米颗粒出现。

固定实施例1中的大部分实验参数，以硝酸盐的加入量为因变量，可以通过扫描电镜（SEM）或透射电镜（TEM）考察该方法制备的纳米金属单质和氧化物的表面形貌。其中制备的纳米银和氧化锌纳米颗粒的实验结果表征如图2-3所示。

表面形貌及晶体表征：对于纳米银纤维膜，需要利用扫描电镜观察形貌，所得SEM照片如图2所示。由此结果可知，纳米银膜由一根根约3-5 µm的银纤维交联而成，高分辨电镜照片可见，纳米银纤维表面比较粗糙，含有很多20-30 nm的纳米孔。XRD仪器被用于银膜组份表征，结果如图2D所示。XRD表明，该膜几乎完全由单质银组成，因此成功制备了纳米银纤维膜。对于纳米氧化锌颗粒的表征，需要利用扫面电镜和透射电镜对其表面形貌进行表征，结果表明纳米氧化锌颗粒约50-60 nm，XRD表明该颗粒由纯氧化锌组成，因此成功制备了氧化锌纳米颗粒。