[发明专利]一种以多巴胺修饰碳纳米管为载体的杂多酸功能性复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种以多巴胺修饰碳纳米管为载体的杂多酸功能性复合材料的制备方法。

背景技术

杂多酸(Heteropoly acid，HPA)是当今最重要的功能材料之一。杂多酸是由中心原子(如P、Si、Fe、Co等)和配位原子(如Mo、W、V、Nb、Ta等)按一定结构通过氧原子配位桥联组成的一类八面体含氧多酸。在固体状态下，杂多酸主要由杂多阴离子、质子和水(结晶水和结构水)组成。在杂多酸晶体中有两种类型的质子：一是与杂多阴离子作为一整体相连的离域水合质子；二是定位在杂多阴离子中桥氧原子上的非水合质子。离域质子易流动，在杂多酸晶体中呈“假液相”特征(Nakamura O,Kodama T,Ogino I,et a1.Chem.Lett.,1979,17-18)。因此，杂多酸可作为高质子导体固体电解质。由于其相当高的质子导电性，杂多酸在燃料电池、传感器和电显色装置等方面有潜在的应用前景，引起了人们的广泛重视。虽然杂多酸的电导率较高，但在实用化过程中遇到了较大的阻碍，主要是结晶水不稳定，容易失去，从而导致电导率迅速降低。另外，具体的使用过程中要求质子电解质有一定的稳定性。这些问题的存在使得杂多酸作为质子导电材料的应用受到了很大的限制。如果能在保持电导率的情况下，使杂多酸均匀分散或负载在载体上，则可以解决以上问题。

目前杂多酸常用的载体以各种多孔的、不同形貌的、硅的氧化物为主，由于其具有大量的介孔和微孔，能吸附大量液态的水，从而使一些液态成分可存在于其中。这些液态的水有利于质子的传输，但很容易溶脱。与此同时，杂多酸基本上都是随机分散的，如果通过某种方法使得杂多酸在纳米尺度定向、均匀地分散，如能在载体上实现不同形貌杂多酸的组装(纳米线、纳米管等)将对质子传输的机理及应用研究有极大的帮助。鉴于碳纳米管(CNTs)是一种管状碳材料，由于其具有大的比表面积及独特的物理性质，而经表面修饰之后的碳纳米管非常有利于杂多酸的定向、均匀分散，从而实现杂多酸的负载。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供了一种以多巴胺修饰碳纳米管为载体的杂多酸功能性复合材料的制备方法，该功能性复合材料一方面有利于实现杂多酸的均匀、定向负载；另一方面提高了碳纳米管的利用率和应用范围，而且步骤简单、成本低廉、可重复使用，可以潜在应用于燃料电池、传感器和电显色装置等方面。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种以多巴胺修饰碳纳米管为载体的杂多酸功能性复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将多巴胺溶解于1～50mmol/L的三羟甲基氨基甲烷水溶液中，用盐酸调节溶液的pH值为8～10，得到多巴胺的碱性溶液；

2)向步骤1)得到的多巴胺碱性溶液中加入碳纳米管，超声分散1小时后，继续室温搅拌2～48小时，然后真空抽滤，洗涤(先用无水乙醇洗涤三次，再用去离子水洗涤三次，至滤液无色)，干燥，得到聚多巴胺修饰的碳纳米管；

3)将步骤2)所得聚多巴胺修饰的碳纳米管加入到一定浓度的杂多酸水溶液中，超声分散1小时后，继续室温搅拌4～48小时后经真空抽滤、洗涤、干燥后得以多巴胺修饰碳纳米管为载体的杂多酸功能性复合材料。

在步骤1)中，所述多巴胺的碱性溶液中多巴胺的浓度为0.1～5g/L。

在步骤2)中，所述碳纳米管与多巴胺碱性溶液的比例为(0.01～0.5)g：100mL。

在步骤3)中，所述杂多酸为磷钨酸、磷钼酸或硅钨酸。

在步骤3)中，所述多巴胺修饰碳纳米管与杂多酸水溶液的比例为(0.01～0.5)g：100mL，杂多酸水溶液浓度为1～100mmol/L。

值得注意的是，本发明的制备方法不仅适用于碳纳米管的表面改性修饰，同样适用于其他纳米材料(纳米线、纳米管、纳米片等)：例如埃洛石纳米管、氧化锌纳米线、氮化硼纳米片、氮化硼纳米管、银纳米线、二氧化钛纳米管、纳米羟基磷灰石、纳米凹凸棒土、纳米蒙脱土、纳米高岭土、石墨烯等，而且对于纳米材料尺寸上不存在限制。纳米材料经多巴胺处理后的表面聚多巴胺层中含有大量的羟基、氨基以及吲哚基团，可以使本研究所述的杂多酸通过共价键和非共价键相互作用定向、均匀地负载在其表面，实现组装。

与现有技术相比，本发明方法的优点和有益效果在于：