一種以尿素鐵為鐵源制備四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料的方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料的方法。
【背景技術】
[0002]石墨稀是一種由Sp2雜化碳原子構成的平面結構的二維碳材料，其在催化、傳感、功能材料等領域均具有廣闊的應用前景。現有研究表明，將原子尺寸相當的氮原子摻雜到石墨稀中，能夠進一步提高石墨材料的性能，可應用領域更加廣闊。
[0003]在石墨烯功能材料使用過程中，如果能快速、高效地對其進行分離、回收和重復利用，勢必會進一步提高此功能材料的使用效率。四氧化三鐵具有磁性，如果將其與氮摻雜石墨烯進行復合，則可制得既便于回收再利用，又具有特定催化活性的功能材料。
[0004]現有制備四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料的方法，無論是采用醋酸鐵或氯化鐵做為鐵源，在采用水熱法與氮摻雜石墨烯進行復合之后，均需要在氬氣或氮氣等惰性氣體氛圍下高溫500?600°C下反應0.5?3小時，將FeOOH還原為四氧化三鐵，同時將氧化石墨還原為石墨烯。由于在水熱反應之后還需要高溫反應，此類方案的危險性增大，能耗相對較大。
【發明內容】
[0005]本發明的目的要解決現有四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料制備方法需要在惰性氣體氛圍下高溫反應，導致存在危險性大和能耗大的問題;而提供一種以尿素鐵為鐵源制備四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料的方法。
[0006]—種以尿素鐵為鐵源制備四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料的方法，具體是按以下步驟完成的:
[0007]—、制備氧化石墨烯的尿素溶液:將尿素溶于水中，然后加入濃度為5 X 10—3g/mL?I X 10—2g/mL的氧化石墨烯溶液，先磁力攪拌混合均勻，混合均勻后在功率為250W的超聲下處理2h?12h，得到氧化石墨烯的尿素溶液；所述的尿素的質量與水的體積比為(20g?70g):1OOmL;所述的濃度為5 X 10—3g/mL?I X 10—2g/mL的氧化石墨稀溶液與水的體積比為(0.5?3):1;
[0008]二、制備尿素鐵乙二醇混合液:將尿素鐵溶于乙二醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，磁力攪拌至聚乙烯吡咯烷酮完全溶解，得到混合液，然后利用飽和的氫氧化鈉水溶液將混合液的PH值調至11，得到尿素鐵乙二醇混合液;所述的尿素鐵的質量與乙二醇的體積比為lg: (1mL?50mL);所述的尿素鐵與聚乙烯吡咯烷酮的質量比為1: (0.05?0.5);
[0009]三、熱反應:將尿素鐵乙二醇混合液加入到氧化石墨烯的尿素溶液中，先磁力攪拌混合均勻，混合均勻后在功率為250W的超聲下處理2h?12h，得到初混物，將初混物轉移至反應釜中，在溫度為140?210°C下反應8h?20h，反應結束自然冷卻，冷卻至室溫后對反應產物進行抽濾，然后以水為洗滌劑對抽濾得到的固體進行洗滌，洗滌至濾液呈中性為止，得到洗滌后固體，將洗滌后固體轉移至真空干燥箱中，并在溫度為30?80°C下烘干8h?24h，即得到四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料;所述的尿素鐵乙二醇混合液與氧化石墨烯的尿素溶液的體積比為I: (3?6)。
[0010]本發明優點:本發明實現了四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料的一步水熱合成。在水熱反應過程中同時實現了+3價鐵的還原、氧化石墨烯的還原、石墨烯的氮摻雜這三個過程。避免了水熱反應后再在氬氣或氮氣等惰性氣體氛圍下進行高溫處理這一操作，簡化了反應過程，降低了制備過程的危險性，降低了能耗，更便于實現工業化。
【附圖說明】
[0011]圖1是實施例1制備的四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料的紅外光譜圖；
[0012]圖2是實施例1制備的四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料的XRD圖；
[0013]圖3是實施例1制備的四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料的XPS圖；
[0014]圖4是實施例1制備的四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料SEM圖；
[0015]圖5是實施例1制備的四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料TEM圖。
【具體實施方式】
[0016]【具體實施方式】一:本實施方式是一種以尿素鐵為鐵源制備四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料的方法，具體是按以下步驟完成的:
[0017]一、制備氧化石墨烯的尿素溶液:將尿素溶于水中，然后加入濃度為5 X 10—3g/mL?I X 10—2g/mL的氧化石墨烯溶液，先磁力攪拌混合均勻，混合均勻后在功率為250W的超聲下處理2h?12h，得到氧化石墨烯的尿素溶液；所述的尿素的質量與水的體積比為(20g?70g):1OOmL;所述的濃度為5 X 10—3g/mL?I X 10—2g/mL的氧化石墨烯溶液與水的體積比為(0.5?3):1;
[0018]二、制備尿素鐵乙二醇混合液:將尿素鐵溶于乙二醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，磁力攪拌至聚乙烯吡咯烷酮完全溶解，得到混合液，然后利用飽和的氫氧化鈉水溶液將混合液的PH值調至11，得到尿素鐵乙二醇混合液;所述的尿素鐵的質量與乙二醇的體積比為lg: (1mL?50mL);所述的尿素鐵與聚乙烯吡咯烷酮的質量比為1: (0.05?0.5);
[0019]三、熱反應:將尿素鐵乙二醇混合液加入到氧化石墨烯的尿素溶液中，先磁力攪拌混合均勻，混合均勻后在功率為250W的超聲下處理2h?12h，得到初混物，將初混物轉移至反應釜中，在溫度為140?210°C下反應8h?20h，反應結束自然冷卻，冷卻至室溫后對反應產物進行抽濾，然后以水為洗滌劑對抽濾得到的固體進行洗滌，洗滌至濾液呈中性為止，得到洗滌后固體，將洗滌后固體轉移至真空干燥箱中，并在溫度為30?80°C下烘干Sh?24h，即得到四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料;所述的尿素鐵乙二醇混合液與氧化石墨烯的尿素溶液的體積比為I: (3?6)。
[0020]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一的不同點是:步驟一中所述的濃度為5 X 10—3g/mL?I X 10—2g/mL的氧化石墨烯溶液是按以下步驟制備的:首先將可膨脹石墨和高錳酸鉀加入混合酸中，在溫度為30?60°C的恒溫水浴鍋中機械攪拌下反應Sh?24h，反應結束后自然冷卻，冷卻至室溫后得到反應液，將反應液傾倒至冰中，然后滴加質量分數為30%的雙氧水，滴加至不再產生氣泡為止，沉降分層，倒出上清液，對沉淀進行抽濾，得到固體，然后以質量分數為30 %的鹽酸水溶液作為洗滌劑對固體在轉速為6000r/min下進行離心洗滌，離心洗滌I?10次，得到洗滌后產物，將洗滌后產物轉移至透析膜中處理7天?30天，得到氧化石墨濃漿，利用超聲，將氧化石墨濃漿分散在水中，得到濃度為5 X 10—3g/mL?IX 10—2g/mL的氧化石墨烯溶液;所述的可膨脹石墨與高錳酸鉀的質量比為1: (3?10);所述的反應液與冰的體積比為I: (2?4);所述的混合酸由濃硫酸和磷酸混合而成，所述濃硫酸與磷酸體積的體積比為9:1，所述的磷酸的質量分數為85%。其他與【具體實施方式】一相同。
[0021]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同點是:步驟一中將尿素溶于水中，然后加入濃度為7X 10—3g/mL的氧化石墨烯溶液，先磁力攪拌混合均勻，混合均勻后在功率為250W的超聲下處理7h，得到氧化石墨烯的尿素溶液。其他與【具體實施方式】一或二相同。
[0022]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同點是:步驟一中所述的尿素的質量與水的體積比為40g: 100mL。其他與【具體實施方式】一至三相同。
[0023]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同點是:步驟一中所述的濃度為7 X 10—3g/mL的氧化石墨烯溶液與水的體積比為1:1。其他與【具體實施方式】一至四相同。
[0024]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同點是:步驟二中所述的尿素鐵的是按以下步驟制備的:將六水合氯化鐵和尿素溶于無水乙醇中，得到混合物，混合物在磁力攪拌下反應2h?6h，然后抽濾，得到固體，以無水乙醇為洗滌劑對固體進行洗滌5次?10次，得到洗滌后固體，將洗滌后固體轉移至真空干燥箱中，并在溫度為30?50°C下烘干8h?16h，即得到尿素鐵;所述的混合物中六水合氯化鐵與尿素的質量比為1:(2?5);所述的混合物中六水合氯化鐵的質量與無水乙醇的體積比為lg: (5mL?20mL)。其他與【具體實施方式】一至五相同。
[0025]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同點是:步驟二中所述的尿素鐵的質量與乙二醇的體積比為lg:30mL。其他與【具體實施方式】一至六相同。
[0026]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同點是:步驟二中所述的尿素鐵與聚乙烯吡咯烷酮的質量比為1:0.2。其他與【具體實施方式】一至七相同。
[0027]本
【發明內容】
不僅限于上述各實施方式的內容，其中一個或幾個【具體實施方式】的組合同樣也可以實現發明的目的。
[0028]采用下述實驗驗證被發明效果
[0029]實施例1:一種以尿素鐵為鐵源制備四氧化三鐵負載氮摻雜石墨烯復合材料的方法，具體是按以下步驟完成的:
[0030]一、制備氧化石墨烯的尿素溶液:將20g尿素溶于50mL水中，然后加入50mL濃度為7X 10—3g/mL的氧化石墨烯溶液，先磁力攪拌混合均勻，混合均勻后在功率為250W的超聲下處理7h，得到氧化石墨烯的尿素溶液；
[0031]二、制備尿素鐵乙二醇混合液:將Ig尿素鐵溶于30mL乙二醇中，然后加入0.2g聚乙烯吡咯烷酮，磁力攪拌至聚乙烯吡咯烷酮完全溶解，得到