介孔纳米片/氮掺杂石墨烯复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种a-Fe2O3/石墨烯复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]a -Fe2O3作为一种物理和化学稳定性良好的半导体材料，具有适宜的带隙宽度(2.0?2.2eV)、较强的氧化能力、较高的电容(?100mA.h/g)、价格低廉、安全无毒等诸多优点，被广泛应用于光催化、电池电极材料等诸多领域。石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，因其独特的单原子层晶体结构，而具有许多优异的物化性质(极高的载流子迀移速率、超高的比表面积、稳定的化学特性等)，从而引起了物理、化学、材料等领域的广泛关注。近年来，围绕着a-Fe2O3/石墨烯复合功能材料的制备，研宄人员展开了大量的研宄，成功制备出许多a -Fe2O3/石墨烯复合材料，并广泛应用于光解水、锂离子电池、海水淡化等诸多领域。然而，上述的制备方法仍存在以下问题:(1) a-Fe2O3/石墨稀复合功能材料的比表面积较小，不利于化学活性点位的暴露；(2)原位生长在石墨烯片上a-Fe2O3都是密实体，缺少有利于物质传质的多孔结构。
[0003]最近，研宄人员发现，在石墨烯的晶格中引入异质原子(比如氮、磷、硼等)，不仅能进一步提高石墨烯的光电化学性能，还能强化a-Fe2O3与石墨烯的协同作用。因此，将a -Fe2O3介孔纳米棒与氮掺杂石墨烯进行有机的结合，形成片-片的独特结构，不仅有利于物质的传质过程，也使得化学活性点位得到有效的暴露。然而，如何让a-Fe2O3纳米片原位生于氮掺杂石墨烯的同时，以形成这种独特的片-片结构，并确保其多孔结构的特性，是制备高性能高稳定性a -Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨稀复合功能材料的关键。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决目前无法让a -Fe2O3介孔纳米片原位生长于氮掺杂石墨烯的同时确保a -Fe2O3多孔结构特性的技术问题，而提供一种a -Fe 203介孔纳米片/氮掺杂石墨烯复合材料的制备方法。
[0005]本发明的一种a -Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨烯复合材料的制备方法是按以下步骤进行的:
[0006]—、将造孔剂加入到去离子水中，混合搅拌3min?lOmin，得到有机物溶液；将碱源和无机铁的水溶液依次加入到有机物溶液中，搅拌5min?lOmin，形成均勾的透明混合液；所述的造孔剂的质量与去离子水的体积比为lg: (1.03mL?3mL);所述的碱源与造孔剂的质量比为1: (33.3?96.7);所述的无机铁的水溶液的浓度为0.05mol/L?0.5mol/L ；所述的无机铁的水溶液的体积与造孔剂的质量比为ImL: (2g?5.8g)；
[0007]二、将氧化石墨烯加入到步骤一得到的均匀的透明混合液中，超声0.3h?2.0h,然后搅拌2.0h?4.0h，得到稳定的悬浮液；所述的氧化石墨烯与步骤一中所述的造孔剂的质量比为I: (285.7?828.6)；
[0008]三、将步骤二得到的稳定的悬浮液倒入水热反应釜后，在温度为100°C?200°C的条件下反应5h?24h，自然冷却至室温，进行离心、然后用去离子水洗涤3次，再用乙醇洗涤2次，最后在温度为50°C的条件下干燥12h，得到a -Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨烯复合材料。
[0009]本发明步骤二中的氧化石墨稀是由传统的Hmnmers法制备的。
[0010]本发明的原理:
[0011]本发明中铁离子由于静电作用，会吸附在氮掺杂的石墨烯表面，成核生长；另外，由于造孔剂含有多个羟基，它能有效吸附在a -Fe2O3纳米晶的表面；在反应过程中，由于添加的造孔剂量相对较低，无法完全覆盖于a -Fe2O3纳米晶，不能有效的阻止纳米晶的团聚，因此，随着水热反应的进行，a -Fe2O3纳米晶沿着二维方向进行组装，进而形成了纳米片，接着采用乙醇/去离子水作为萃取剂，将纳米片中的造孔剂洗除，从而形成了介孔，最终得到a -Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨稀复合材料。
[0012]与零维纳米颗粒相比，二维纳米片能高效的传递光生电荷，进而使得光生电荷的复合几率下降，有利于光催化活性的提升；由于a -Fe2O3纳米片具有介孔结构，这不仅提高了 a -Fe2O3对入射光的利用率，同时也大大缩短了光生载流子到达材料表面的径向距离，有利于后续的氧化降解反应；本发明的介孔结构，还有利于化学反应的传质过程，因此能提高化学反应效率；本发明由于其独特的片-片结构，能有效提高两者界面间物质与能量的传递效率。
[0013]本发明优点:
[0014]—、本发明制备的a-Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨稀复合功能材料的比表面积高达317m2/g，远大于目前文献报道的a -Fe2O3/石墨稀复合功能材料；本发明的a -Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨稀复合功能材料实现了 a -Fe2O3介孔纳米片在氮掺杂石墨稀片上的原位生长，其介孔大小为2?4nm ；
[0015]二、本发明方法的反应条件温和，所采用的反应设备简单，所需的试剂价格低廉，且安全无毒，有利于大规模生产；
[0016]三、本发明所制备的a -Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨烯复合材料的光芬顿活性明显高于商业的Fe2O3，对罗丹明B的去除率高达78%。
【附图说明】
[0017]图1为试验一制备a-Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨烯复合材料的透射电镜图；
[0018]图2为试验一制备的a-Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨烯复合材料的透射电镜图；
[0019]图3为试验一制备的a-Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨稀复合材料的X光电子能谱图，峰I为Fe的3ρ轨道吸收峰，峰2为C的Is轨道吸收峰，峰3为N的Is轨道吸收峰，峰4为O的Is轨道吸收峰，峰5为Fe的2ρ轨道吸收峰，峰6为Fe的2s轨道吸收峰；
[0020]图4为试验一制备的a-Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨烯复合材料的氮气吸附脱附曲线；
[0021]图5为在中性光芬顿降解水中罗丹明B的效果图，曲线I为试验五的效果曲线，曲线2为试验四的效果曲线，曲线3为试验三的效果曲线，曲线4为试验二的效果曲线。
【具体实施方式】
[0022]【具体实施方式】一:本实施方式为一种a -Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨烯复合材料的制备方法，具体是按以下步骤进行的:
[0023]—、将造孔剂加入到去离子水中，混合搅拌3min?lOmin，得到有机物溶液；将碱源和无机铁的水溶液依次加入到有机物溶液中，搅拌5min?lOmin，形成均勾的透明混合液；所述的造孔剂的质量与去离子水的体积比为lg: (1.03mL?3mL);所述的碱源与造孔剂的质量比为1: (33.3?96.7);所述的无机铁的水溶液的浓度为0.05mol/L?0.5mol/L ;所述的无机铁的水溶液的体积与造孔剂的质量比为ImL: (2g?5.8g)；
[0024]二、将氧化石墨烯加入到步骤一得到的均匀的透明混合液中，超声0.3h?2.0h,然后搅拌2.0h?4.0h，得到稳定的悬浮液；所述的氧化石墨烯与步骤一中所述的造孔剂的质量比为I: (285.7?828.6)；
[0025]三、将步骤二得到的稳定的悬浮液倒入水热反应釜后，在温度为100°C?200°C的条件下反应5h?24h，自然冷却至室温，进行离心、然后用去离子水洗涤3次，再用乙醇洗涤2次，最后在温度为50°C的条件下干燥12h，得到a -Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨烯复合材料。
[0026]本实施方式的原理:
[0027]本实施方式中铁离子由于静电作用，会吸附在氮掺杂的石墨烯表面，成核生长；另夕卜，由于造孔剂含有多个羟基，它能有效吸附在a -Fe2O3纳米晶的表面；在反应过程中，由于添加的造孔剂量相对较低，无法完全覆盖于Q-Fe2O3纳米晶，不能有效的阻止纳米晶的团聚，因此，随着水热反应的进行，C1-Fe2O3纳米晶沿着二维方向进行组装，进而形成了纳米片，接着采用乙醇/去离子水作为萃取剂，将纳米片中的造孔剂洗除，从而形成了介孔，最终得到a -Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨稀复合材料。
[0028]与零维纳米颗粒相比，二维纳米片能高效的传递光生电荷，进而使得光生电荷的复合几率下降，有利于光催化活性的提升；由于a -Fe2O3纳米片具有介孔结构，这不仅提高了 a -Fe2O3对入射光的利用率，同时也大大缩短了光生载流子到达材料表面的径向距离，有利于后续的氧化降解反应；本发明的介孔结构，还有利于化学反应的传质过程，因此能提高化学反应效率；本实施方式由于其独特的片-片结构，能有效提高两者界面间物质与能量的传递效率。
[0029]本实施方式优点:
[0030]一、本实施方式制备的a -Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨烯复合功能材料的比表面积高达317m2/g，远大于目前文献报道的a -Fe2O3/石墨烯复合功能材料；本实施方式的a -Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨烯复合功能材料实现了 α -Fe 203介孔纳米片在氮掺杂石墨稀片上的原位生长，其介孔大小为2?4nm ；
[0031]二、本实施方式方法的反应条件温和，所采用的反应设备简单，所需的试剂价格低廉，且安全无毒，有利于大规模生产；
[0032]三、本实施方式所制备的a -Fe2O3介孔纳米片/氮掺杂石墨烯复合材料的光芬顿活性明显高于商业的Fe2O3，其去除率高达78%。
[0033]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中所述的造孔剂为含有羟基的有机物，具体为丙三醇、蔗糖、葡萄糖或羟基纤维素。其它与【具体实施方式】一相同。
[0034]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一至二之一不同的是:步骤一中所述的碱源为尿素、氨水或乙酸铵。其它与【具体实施方式】一至二之一相同。
[0035]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:步骤一所述的无