一種石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料及其制備方法與流程

本發明屬于無機復合材料領域，具體涉及一種石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料及其制備方法。

背景技術：

二氧化鈦因在光催化、光解水、傳感器、染料敏化太陽能電池和鋰離子電池等領域的廣闊應用前景，已經成為材料領域研究的熱點。常見的二氧化鈦主要包括四種晶相：銳鈦相、金紅石相、板鈦礦相和二氧化鈦B相(二氧化鈦(B))。在所有的晶相中，B型二氧化鈦屬于單斜晶系，結構最為疏松，具有較大的層間距以及較小的密度，使其在光催化和太陽能電池方面表現出了優異的性能。Wang等人通過溶劑熱法制備了原子厚度的氧化鈦納米片并研究了其光催化性質(Chem.Commun.,2010,46,6801-6803)；Che等人發表了納米片組裝二氧化鈦(B)材料在鋰離子電池方面的應用(Adv.Mater.,2012,24,3201-3204)。然而，二氧化鈦(B)的導電性與穩定性差，限制了其在非均相催化及能量存儲領域里的應用，對二氧化鈦(B)進行表面復合的研究有重要意義。

石墨烯是近幾年發展起來的新型二維無機納米材料，是一種由碳原子以sp²雜化連接形成的單原子層二維晶體，具有比表面積大、導電、導熱和物理性能良好等優點，自從其發現以來，在化學、物理、材料、電子等各個領域顯示了廣闊的應用前景。氧化石墨烯是最為重要的一種石墨烯衍生物，它的碳骨架上存在大量的含氧官能團，如脂肪(芳)醚基、羥基、羧基、羰基等，使其不但具有石墨烯大比表面積的特點，還具有良好的親水性及反應性能，可作為一種理想的無機納米填料與其它現有材料進行復合。專利201410008803.1公開了一種二氧化鈦(B)-石墨烯自卷繞納米復合材料的制備，適合用作動力型鋰離子電池負極材料。

對于二氧化鈦(B)均勻分布在層狀石墨烯表面的超薄復合結構目前未見相關報道。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種簡單易行、重復性好、制備成本低廉的超薄石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料及其制備方法，以解決二氧化鈦(B)導電性與穩定性差的缺點。

本發明為實現發明目的，采用如下技術方案：

本發明的石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料，是由二氧化鈦(B)均勻分布在層狀石墨烯的表面，而形成的超薄三明治型復合結構。其制備方法包括如下步驟：

(1)將氧化石墨烯水溶液加入乙二醇溶液中，超聲并攪拌分散，再加入三氯化鈦水溶液進行熱解反應，然后冷卻、離心、洗滌，獲得氧化石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料；

(2)將氧化石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料分散于水中，利用紫外燈進行光還原處理，然后離心、洗滌、冷凍干燥，即獲得目標產物石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料。

所述氧化石墨烯水溶液的濃度為1～8mg/mL，優選2～5mg/mL；所述三氯化鈦水溶液的質量濃度為16％～22％，優選20％；

所述氧化石墨烯水溶液與所述三氯化鈦水溶液的體積比為1:1～1:10，優選1:2～1:6；

所述氧化石墨烯水溶液與所述乙二醇溶液的體積比為1:20～1:40，優選1:30。

所述氧化石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料分散于水中的溶液濃度為5～15mg/mL，優選8mg/mL。

步驟(1)中超聲并攪拌分散的時間為20～40min，優選30min；所述熱解反應的溫度為140～160℃，優選150℃；反應時間為3～6h，優選4h；

步驟(2)中所用紫外光的強度為2600μw/cm²、波長為253.7nm，處理時間為30-60min。

與現有技術相比，本發明的有益效果體現在：

(1)本發明的石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料具有超薄的結構，極大的保留了石墨烯高比表面積的優點、提高了原子經濟性，且結合了石墨烯和二氧化鈦(B)的優良性質，可在環境、催化、能源等領域有著較好的應用前景和經濟效益。

(2)本發明通過原位熱解及原位還原的方法形成負載型的復合材料，簡單易行、重復性好、制備成本低。

附圖說明

圖1為實施例1所得石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料的掃描電鏡照片；

圖2為實施例1所得石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料的透射電鏡照片；

圖3為實施例1所得石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料的原子力顯微鏡照片。

具體實施方式

下面通過具體的實施例對本發明進行詳細說明，應當理解的是，這些具體實施方式僅用來幫助理解本發明，并非對本發明的實際保護范圍構成任何形式的任何限定。

實施例1

本實施例按如下步驟制備石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料：

(1)將2mL氧化石墨烯水溶液(3mg/mL)加入60mL乙二醇溶液中，超聲5min，然后置于150℃油浴鍋中，攪拌30min后加入8mL 20％的三氯化鈦水溶液，熱解反應4h；產物經冷卻、離心、洗滌，獲得氧化石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料；

(2)將氧化石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料分散于水中(8mg/mL)，然后將此溶液在紫外燈光照下攪拌60min(紫外光的強度為2600μw/cm²、波長為253.7nm)；產物經離心、洗滌、冷凍干燥，即獲得石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料。

圖1-3為本實施例所得復合材料的結構表征圖，可以看出形成了二氧化鈦(B)均勻分布在層狀石墨烯表面的超薄三明治型復合結構，其厚度只有15nm。

實施例2

本實施例按如下步驟制備石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料：

(1)將2mL氧化石墨烯水溶液(3mg/mL)加入60mL乙二醇溶液中，超聲5min，然后置于150℃油浴鍋中，攪拌30min后加入4mL 20％的三氯化鈦水溶液，熱解反應3h；產物經冷卻、離心、洗滌，獲得氧化石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料；

(2)將氧化石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料分散于水中(8mg/mL)，然后將此溶液在紫外燈光照下攪拌30min(紫外光的強度為2600μw/cm²、波長為253.7nm)；產物經離心、洗滌、冷凍干燥，即獲得石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料。

經表征，本實施例所得復合材料具有三明治型復合結構，是在層狀石墨烯的表面均勻分布有二氧化鈦(B),結構表征顯示其厚度為12nm。

實施例3

本實施例按如下步驟制備石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料：

(1)將2mL氧化石墨烯水溶液(5mg/mL)加入60mL乙二醇溶液中，超聲5min，然后置于150℃油浴鍋中，攪拌30min后加入12mL 20％的三氯化鈦水溶液，熱解反應4h；產物經冷卻、離心、洗滌，獲得氧化石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料；

(2)將氧化石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料分散于水中(8mg/mL)，然后將此溶液在紫外燈光照下攪拌40min(紫外光的強度為2600μw/cm²、波長為253.7nm)；產物經離心、洗滌、冷凍干燥，即獲得石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料。

經表征，本實施例所得復合材料具有三明治型復合結構，是在層狀石墨烯的表面均勻分布有二氧化鈦(B),結構表征顯示其厚度為22nm。

實施例4

本實施例按如下步驟制備石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料：

(1)將2mL氧化石墨烯水溶液(2mg/mL)加入60mL乙二醇溶液中，超聲5min，然后置于150℃油浴鍋中，攪拌30min后加入10mL 20％的三氯化鈦水溶液，熱解反應5h；產物經冷卻、離心、洗滌，獲得氧化石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料；

(2)將氧化石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料分散于水中(8mg/mL)，然后將此溶液在紫外燈光照下攪拌30min(紫外光的強度為2600μw/cm²、波長為253.7nm)；產物經離心、洗滌、冷凍干燥，即獲得石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料。

經表征，本實施例所得復合材料具有三明治型復合結構，是在層狀石墨烯的表面均勻分布有二氧化鈦(B),結構表征顯示其厚度為30nm。

實施例5

本實施例按如下步驟制備石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料：

(1)將2mL氧化石墨烯水溶液(3mg/mL)加入60mL乙二醇溶液中，超聲5min，然后置于150℃油浴鍋中，攪拌30min后加入6mL 20％的三氯化鈦水溶液，熱解反應3h；產物經冷卻、離心、洗滌，獲得氧化石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料；

(2)將氧化石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料分散于水中(8mg/mL)，然后將此溶液在紫外燈光照下攪拌50min(紫外光的強度為2600μw/cm²、波長為253.7nm)；產物經離心、洗滌、冷凍干燥，即獲得石墨烯/二氧化鈦(B)復合材料。

經表征，本實施例所得復合材料具有三明治型復合結構，是在層狀石墨烯的表面均勻分布有二氧化鈦(B),結構表征顯示其厚度為11nm。

以上所述僅為本發明的示例性實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。