[发明专利]石墨烯导向多级结构复合氧化物催化剂及其制备方法

权利要求书

1.一种石墨烯导向多级结构复合氧化物催化剂，其特征在于：多级结构水滑石LDHs纳米片阵列/石墨烯杂化材料中，石墨烯质量为LDHs质量的8％～25％，LDHs纳米片的直径介于20～120nm，厚度～5nm，形貌为LDHs纳米片相互交错，并垂直生长于石墨烯基面两侧，形成三维多级结构类纳米片阵列形貌；将该杂化材料焙烧，基于石墨烯的模板导向作用，使LDHs纳米片阵列在焙烧中形成的复合氧化物仍然保持了三维纳米片阵列形貌，其复合氧化物纳米片的厚度为10～12nm，由小粒径的氧化物颗粒8～10nm组装而成并具有发达的孔隙结构，得到多级结构复合氧化物催化剂。

2.一种权利要求1所述的石墨烯模板导向的多级结构复合氧化物催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)以325目天然鳞片石墨为原料采用化学氧化法制备氧化石墨，干燥方式采用冷冻干燥条件，先于－60℃下冷冻1h，再于真空条件下干燥12h后得到蓬松的氧化石墨，将所得氧化石墨分散于去离子水中，超声分散后即得到均匀的氧化石墨烯胶体状悬浮液；

(2)将金属盐与柠檬酸同时溶解于去离子水中得到混合溶液A，然后在持续搅拌条件下将步骤1中的氧化石墨烯胶体状悬浮液缓慢倒入混合溶液A中，将所得浆液边搅拌边超声，得到棕黄色浆液B；

(3)将NaOH、Na₂CO₃同时溶解于去离子水中制得混合碱溶液C，将步骤(2)中得到的棕黄色浆液B与混合碱溶液C同时缓慢滴入到盛有100mL去离子水的四口烧瓶中，控制pH＝10±0.1，然后于水浴条件下晶化，所得黑色沉淀用去离子水洗涤至pH＝7，冷冻干燥后得到多级结构LDHs纳米片阵列/石墨烯杂化材料；

(4)将步骤(3)中的杂化材料适度焙烧后即得到相应的多级结构复合金属氧化物催化剂。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的氧化石墨与去离子水的质量比为2:1，得到的氧化石墨烯胶体状悬浮液浓度为2mg/mL，超声功率为300W，超声时间控制为0.5h～1h。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的金属盐包括二价和三价的金属盐，其存在形式为硝酸盐或醋酸盐中的一种或其混合形式，金属盐中的二价金属离子M²⁺为Co₂+、Ni²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺中的一种或两种组合，三价金属离子M³⁺为Al³⁺、Fe³⁺中的一种，M²⁺和M³⁺的摩尔比值固定为[M²⁺]/[M³⁺]＝3：1。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：柠檬酸与所用氧化石墨的质量比为0.5:1～1.5:1，每100mg柠檬酸对应0.005～0.02mol总金属盐离子[M²⁺+M³⁺]，氧化石墨烯胶体悬浮液与混合溶液A的体积比控制为3:1～5:1，超声功率为300W，超声时间控制为10min～30min。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中每100mL体积的混合碱中，[NaOH]/[M²⁺+M³⁺]摩尔比值为1.6：1，[Na₂CO₃]/[M³⁺]摩尔比值为2：1，滴加时间保持在30～60min之间，晶化温度选择为60～90℃，时间为4～24h，干燥条件同步骤(1)的冷冻干燥过程，得到M²⁺₃M³⁺₁-LDHs纳米片阵列/石墨烯杂化材料。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的焙烧条件选择为静态空气中400～600℃，升温速率5℃/min，保持时间为4h，得到多级结构M²⁺₃M³⁺₁(O)复合金属氧化物。