[发明专利]亲水性石墨烯/尖晶石型铁氧体复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及石墨烯的功能化及复合材料的原位组装制备，属无机非金属材料领域。本方法可以连续实现氧化石墨烯的功能化、尖晶石型铁氧体晶粒的原位负载和功能化氧化石墨烯的原位还原，制备出具有优良亲水性能的石墨烯/尖晶石型铁氧体复合材料，原料易得、工艺简单、操作便捷。具体步骤：调节氧化石墨烯水溶液pH值至酸性，加入改性剂，超声分散，然后60℃恒温1~4小时；将所得混合液pH值调至中性后加入含铁试剂，再超声分散，85~95℃恒温，滴加沉淀剂，形成结晶产物，滴加完毕后继续恒温3~5小时；磁分离后，以特定溶剂反复洗涤结晶产物，60℃烘干12小时。本方法制备的石墨烯/尖晶石型铁氧体复合材料的水接触角只有15.02°，表现出了优异的亲水性。

技术领域

本发明涉及石墨烯的功能化及复合材料的原位组装制备，属无机非金属材料领域。

背景技术

在过去的二十年内，现代工业快速发展、农业化学药品及各类护理用品的广泛应用，水体中内分泌干扰物、卤代脂肪族和芳香族化合物等难降解污染物广泛存在并累积。基于非均相反应的高级氧化技术(AOPs)是一种很有前途的废水回收技术。为此，开发新型高效且环境友好的非均相催化剂是AOPs研究中的热点问题。

尖晶石型铁氧体是一种离子型化合物，通式为AB₂O₄。A和B通常为过渡金属元素，A²⁺离子占据八面体空隙，B³⁺离子一半占据四面体空隙，另一半占据八面体空隙。由于尖晶石铁氧体特殊的结构和化合价比，其可在自身完成氧化还原循环。相比于均相离子反应，基于尖晶石型铁氧体的非均相氧化还原反应速率大大提高。将其应用于高级氧化技术中是十分具有研究价值和现实意义的。但是，仅仅通过调配元素种类以及晶粒尺寸来提升尖晶石铁氧体的性能终究是局限性研究。石墨烯作为一种二维材料，其具有优异的理化性质，例如载流子高迁移率和突出的比表面积。若将尖晶石铁氧体负载到石墨烯表面，二者之间产生的协同效应无疑使得这种功能性复合材料在环境工程领域的潜在价值得到提升。然而，由于部分尖晶石型铁氧体的亚磁性以及石墨烯的疏水特性，导致这种复合材料进行非均相催化反应的过程中容易聚集，失去分散稳定性，活性降低。为此，对石墨烯进行功能化增强其亲水性是弥补上述弊端的有效办法。目前，石墨烯功能化方法众多，例如π-π键、氢键、离子键相互作用进行的非共价键功能化以及碳骨架的共价键功能化。如果采用上述方法单独对石墨烯进行功能化，会增加整个制备过程的工艺步骤与操作难度，有悖于资源节约及环境友好的发展理念。

本发明的创新思想是，以氧化石墨烯和易得的化学试剂为原材料，开发一种工艺简单、操作可控的液相制备工艺，连续实现氧化石墨烯的功能化、尖晶石型铁氧体的原位负载以及功能化氧化石墨烯的原位还原。该方法无需分离中间体，能在较大程度上节省经济和资源。通过研究发现，采用该方法制备的亲水性石墨烯/尖晶石铁氧体复合材料的水接触角较小，可在水溶液中均匀分散30min以上。此外，该方法制备的复合材料催化非均相Fenton反应可使甲基橙染料(20mg/L)在60min内100％降解。

发明内容

本发明提供的亲水性石墨烯/尖晶石型铁氧体复合材料的制备方法，其基本思想是利用氧化石墨烯表面丰富的含氧基团与有机改性剂接枝，再借助氧化石墨烯表面电负性优先吸附尖晶石型铁氧体中的金属阳离子，从而实现尖晶石型铁氧体纳米晶粒在氧化石墨烯表面的原位负载。同时，通过实验条件的控制，同步完成功能化氧化石墨烯的原位还原。

本发明提供的亲水性石墨烯/尖晶石型铁氧体复合材料的制备方法，其主要技术方案如下：

1)调节氧化石墨烯水溶液pH值至酸性，加入一定质量的改性剂，超声分散，然后60℃恒温1～4小时；

2)将1)获得的混合液pH值调节至中性后，加入一定质量的含铁试剂，超声分散，85～95℃恒温，滴加沉淀剂，形成结晶产物，滴加完毕后继续恒温3～5小时；