[发明专利]一种利用功能化石墨烯制备纳米含能材料及其方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合含能材料的制备技术，特别是一种利用功能化石墨烯制备纳米含能材料及其方法。

背景技术

自十八世纪俄国科学家别盖托夫发现铝热反应现象以来，作为一种高质量密度、高能量密度、高安全性能的含能材料，铝热剂的发展己走过了200年的历史，而广泛应用于冶金，焊接，军事等领域。从广义上讲，铝热剂的主体是由铝粉与氧化性较强的金属或非金属氧化物所组成的混合物，如Fe₂O₃、NiO、CuO等，它们之间在受到热或者机械力的引发后能够发生剧烈的氧化还原反应并放出大量的热。在传统铝热剂中氧化剂与还原剂内在颗粒的分离，导致其燃烧速度慢，缓慢的能量释放速率限制了铝热剂的应用。纳米铝热剂由于反应物之间单位质量原子接触的面积大，减小了传质和热传导的距离，使得其反应速率得到极大地提高，且铝热剂具有放热量高、易于制备、低毒等优点，因此近年来纳米铝热剂作为纳米复合含能材料中的代表引起广泛关注。目前，制备纳米铝热剂的方法有物理混合法，球磨法，溶胶凝胶法，气相沉积法等。在文献Combustion and Flame,2013,160(3):734-741中，Williams R A等利用反应抑制球磨法制备了Al/CuO、Al/Bi₂O₃、Al/Fe₂O₃、和Al/MoO₃等四种不同种类的纳米铝热剂并对这四种铝热剂进行点火性能实验，发现铝热剂的燃烧压力变化与点火的升温速率有很大关系。但此类方法制备纳米铝热剂比较危险，且部分铝热剂在球磨过程中会提前发生反应，纳米粒子也容易团聚，影响了纳米铝热剂性能的发挥。在文献Journal of nanoparticle research,2013,15(12):1-15中，Lijun Qin等利用原子层沉积技术制备具有核壳结构的纳米铝热剂，在纳米铝粒子表面分别沉积一层SnO₂和ZnO，在原子水平上进行控制，使纳米铝颗粒与氧化物接触更紧密。但此类方法对仪器设备的要求较高，而且覆盖在纳米氧化物上的纳米铝层活性较高，在长期保存中容易失活，稳定性较差。因此，在研究纳米铝热剂的过程中，开发出制备方法简单，周期短，且在温和条件下制备出具有高反应速率和高放热量的纳米铝热剂是纳米铝热剂研究领域的重点和难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备方法简单、性能优异的利用功能化石墨烯制备纳米含能材料及其方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种利用功能化石墨烯制备的纳米含能材料及其制备方法，用卤化剂与石墨烯氧化物发生亲电加成生成卤化石墨，然后通过取代反应将含能化合物嫁接到石墨烯上，进一步形成功能化的含能石墨烯，然后将纳米铝和纳米金属氧化物通过自组装方法排列在含能石墨烯上，从而得到高性能的基于功能化石墨烯的纳米含能材料。

本发明与现有技术相比，其优点在于：(1)制备的含能石墨烯表面嫁接了含能化合物2,4,6-三硝基苯酚，含有丰富的含能官能团，这些含能官能团不仅使石墨烯更易分散于分散介质中，而且可以通过长程静电吸引引发自组装过程，纳米铝与石墨烯氧化物通过短程共价键作用连接后，再与纳米氧化物粒子通过非共价键作用，得到高密度、高反应速度的纳米复合铝热剂。(2)由于在纳米铝热剂加入了碳，明显可使其气体产物增加，能显著提高反应压力，增强了铝热剂的对外做功能力。(3)以含能石墨烯自组装制备纳米铝热剂普遍适用于其他种类的纳米铝热剂的制备，能提高混合物的结构有序性，使其性能更容易控制，有很大的应用研究前景。

附图说明

图1是本发明含能石墨烯的制备过程示意图。

图2是本发明纳米复合含能材料Al/氧化物/含能石墨烯的制备过程示意图。

图3是实施例1制备的含能石墨烯/Al/Co₃O₄纳米复合含能材料的透射电镜图，在含能石墨烯片上的负载了纳米Al和纳米Co₃O₄颗粒，且颗粒间能相互接触。

图4是实施例1制备的含能石墨烯/Al/Co₃O₄纳米复合含能材料的扫描电镜图，负载在含能石墨烯片上的纳米粒子没有较大的团聚，有助于反应的充分进行。

具体实施方式