[发明专利]聚乙烯吡咯烷酮杂化石墨烯催化剂载体材料、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于催化剂载体材料技术领域，具体涉及一种聚乙烯吡咯烷酮杂化石墨烯催化剂载体材料、制备方法及应用。

背景技术

石墨烯是一种新型的碳材料，与碳纳米管、富勒烯同属碳家族的一员，2004年由英国Geim通过胶带法剥离天然石墨制得。石墨烯具有规整的二维表面结构，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质。石墨烯具有良好的热稳定性和化学稳定性，良好的机械强度和导电性，且比表面积大，是一种理想的催化剂载体材料。但当前关于石墨烯的研究主要集中在石墨烯的可控制备及其物理性质，对它的化学性质特别是催化特性的研究相对较少。

当前，石墨烯负载金属纳米粒子的制备一般是通过原位还原方法使载体与金属纳米簇直接结合在一起，不能很好的满足工业上对催化剂的需求。主要存在以下技术问题：（1）石墨烯易团聚，降低比表面积；（2）不能有效控制纳米金属在载体表面的分散与尺寸；（3）石墨烯在溶剂中分散性差，催化活性低。综合以上的分析和讨论，本发明着眼于提高石墨烯载体材料的分散性，拟以化学方法构筑聚合物/石墨烯杂化材料，以此杂化材料为催化剂载体，以改善负载的纳米金属粒子的分散性和纳米粒子的尺寸可控。

学者们在构筑聚合物/石墨烯复合材料领域已经做了大量的工作，公开号为CN101864098A的专利公开了一种聚合物/石墨烯复合材料的原位还原制备方法，公开号为CN102424705A的专利公开了一种聚合物/石墨烯纳米复合材料的制备方法，公开号为CN102040714A的专利公开了一种聚合物接枝石墨烯的制备方法，三种方法分别通过溶液、熔融混合以及原位聚合法制备聚合物/石墨烯复合材料；但由于石墨烯易团聚，使实验结果与理论预测相距甚远。为了改善石墨烯在聚合物基体中的分散性，学者们将聚合物通过反应性官能团与石墨烯片层共价结合在一起，显著改善了石墨烯的分散性。如Salavagione等人（Macromolecules,2009,42,6331-6334）利用氧化石墨的羧基和聚乙烯醇的羟基的酯化作用得到了由聚乙烯醇共价改性的石墨烯，使其分散性明显改善。Fang等人（J.Mater.Chem.,2009,19,7098-7105）通过重氮盐分解的方法对石墨烯进行改性，再引发原子转移自由基聚合；He等人（Chem.Mater.,2010,22,5054-5064）通过叠氮化物与氧化石墨烯反应；将聚合物链接枝到了石墨烯表面，改善了石墨烯在聚合物基体中的分散性。聚乙烯吡咯烷酮是一种生物相容性优良的医用高分子材料，如果将聚乙烯吡咯烷酮接枝到石墨烯表面，构筑聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合材料，有望在催化、生物、载药、传感等领域得到广泛应用。公开号为CN101831130A的专利公开了一种将聚乙烯吡咯烷酮接枝到石墨烯表面的方法，该方法将聚乙烯吡咯烷酮和还原剂加到氧化石墨烯的水溶液中，利用水解后聚合物表面的羧基与氧化石墨烯表面的羟基发生反应得到了“聚乙烯吡咯烷酮”接枝到石墨烯表面。然而该专利采用的方法的不足之处在于接枝的聚合物，从严格意义上来说，已经不是聚乙烯吡咯烷酮；另外这种复合物材料以酯基作用同石墨烯结合在一起，耐酸、碱作用弱。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚乙烯吡咯烷酮杂化石墨烯催化剂载体材料，以改善石墨烯的分散性和易分离性，实现纳米粒子在石墨烯表面的分散和尺寸均一，阻止纳米粒子的团聚和脱落。

本发明的第二个目的是提供一种聚乙烯吡咯烷酮杂化石墨烯催化剂载体材料的制备方法。

本发明的第三个目的是提供一种聚乙烯吡咯烷酮杂化石墨烯催化剂载体材料在制备金属催化剂方面的应用。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种聚乙烯吡咯烷酮杂化石墨烯催化剂载体材料，该材料是在石墨烯材料表面共价引入聚乙烯吡咯烷酮。

一种聚乙烯吡咯烷酮杂化石墨烯催化剂载体材料的制备方法，包括下列步骤：

1）将10～100g氧化石墨加入1～3L水中，超声分散1h，调节溶液pH为4～5，在惰性气氛下加入5～20ml硅烷偶联剂，回流12～48h，得到端基为双键的硅烷偶联的氧化石墨烯浆料；

2）将步骤1）所得浆料用水稀释至2～4倍，在惰性气氛下，依次加入0.1～0.5L质量分数为40%的四丁基氢氧化铵水溶液、0.5～2L水合肼，回流6～12h，抽滤，水洗至中性，常温干燥后得到端基为双键的硅烷偶联的石墨烯粉末；