一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种制备石墨烯/金属或半金属的壳‑核结构复合材料及其制备方法，该方法以获得的改性氧化石墨烯为基础，通过浓缩蒸干后进行有机溶剂置换，获得改性氧化石墨烯的有机溶液，然后通过液相自组装法将改性氧化石墨烯包覆到金属或半金属表面形成石墨烯/金属或半金属包覆物溶液，最后通过过滤和干燥后得到石墨烯/金属或半金属壳‑核复合材料，该方法改进了常规有机物和无机物的包覆工艺，降低了水溶剂和高温对某些高反应活性金属和半金属活性的影响，拓展了包覆方法的工艺实现性，解决了石墨烯和活性金属或半金属在含能材料中的应用壁垒。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料及其制备方法，属于复合材料

技术介绍
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂窝晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。从石墨烯上“裁剪”出不同形状的片层，翘曲能够得到零维的富勒烯，卷曲可以得到一维桶状的碳纳米管，堆叠可以得到三维的石墨，因此我们认为石墨烯是构成其它碳材料的基本单元，是目前为止最为理想的碳材料。以石墨烯为代表的二维晶体材料的成功制备，开辟了新型纳米材料和功能材料/器件发展的新纪元。氧化石墨烯具有制备方法简便、廉价、稳定性高、比表面积和孔容大等优点，其化学活性要优于石墨烯。氧化石墨烯是由石墨经化学氧化还原法制备石墨烯的中间体，其结构中包含几到十几层的单层sp2碳原子和一定量的含氧基团(如下结构式所示)，具有石墨烯的某些功能特性，研究报道氧化石墨烯溶液可以用于包覆处理。但是目前氧化石墨烯通常只能溶于水，在有机溶剂中的分散性不高。因此需要对其进行功能化改性，实现氧化石墨烯在部分有机溶剂中的分散溶解性。目前对金属和金属氧化物的石墨烯包覆主要采用的方法是液相化学反应加上高温烧结的方式，其包覆过程包含化学反应，壳-核结构复合材料主要是通过晶体析出的方式生成，对反应条件的要求比较苛刻；同时，其反应介质一般为水，不适用于某些活性金属或活性半金属；此外，对于金属、金属互化物和金属氧化物而言，其壳-核结构复合材料的生成一般还需通过800℃以上的高温烧结或者激光加热的辅助，工艺复杂，成本较高，有的部分壳-核结构复合材料的结构稳定性也较差，与固体推进剂的相容性也不好。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料，通过将改性氧化石墨烯液相自组装包覆到金属或半金属表面形成石墨烯/金属或半金属的壳-核复合材料，实现对某些反应活性较高的金属或半金属进行化学包覆处理，并维持该金属或半金属的性能稳定，解决了石墨烯和活性金属(半金属)在含能材料中的应用壁垒。本专利技术的另外一个目的在于提供一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料，其结构通式为：(R-GO)M，其中R为表面官能团，GO为氧化石墨烯，M为金属或半金属，所述M为壳-核结构的核，R-GO为壳-核结构的壳。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料中，所述表面官能团为胺基、羟胺基、酰基、酰胺基或环氧基团。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料中，所述金属为Ni、Zn、Al、Mg、Zr、Fe、Ag、Pt或Au。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料中，所述半金属为金属氢化物、金属互化物或金属氧化物。所述金属氢化物为MgH2、AlH3、Mg(BH4)2或LiH；所述金属互化物为B-Mg、B-Al、Zr-Al或Al-Mg；所述金属氧化物为Fe2O3、TiO2、P2O3、MgO、CuO或Al2O3。一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)、进行氧化石墨烯的改性，通过对氧化石墨烯引入表面官能团，得到改性氧化石墨烯；(2)、将改性氧化石墨烯溶解于有机溶剂，得到改性氧化石墨烯的有机溶液；(3)、将金属或半金属中加入有机溶剂，搅拌均匀后滴加改性氧化石墨烯的有机溶液进行反应，得到石墨烯/金属或半金属的包覆物溶液；(4)、去除石墨烯/金属或半金属的包覆物溶液中的溶剂，干燥后得到石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(1)中进行氧化石墨烯的改性的具体方法包括如下步骤：(1.1)、将氧化石墨烯水溶液进行超声分散并搅拌均匀，得到澄清溶液；(1.2)、将改性剂滴入氧化石墨烯澄清溶液中搅拌回流，控制反应温度、滴加速率和回流时间，得到改性氧化石墨烯溶液；(1.3)、将改性氧化石墨烯溶液高速离心、过滤后得到改性氧化石墨烯产物。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(1.3)得到的改性氧化石墨烯产物为凝胶状产物，将凝胶状产物清洗后，进行真空干燥，得到改性氧化石墨烯粉末。其中真空干燥温度为60～120℃，真空干燥时间为5～24h。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(1.1)中氧化石墨烯水溶液的浓度为0.5～10mg/mL。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(1.2)中改性剂为乙二胺、己二胺、三乙醇胺、二乙醇胺、N,N-二乙基羟胺、N-乙酰基哌啶、N-乙酰基哌嗪、二甲基甲酰胺、异戊酰胺、乙酰胺、环氧乙烷或环氧丙烷。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，所述改性剂与氧化石墨烯的质量比为1：5～20。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(1.2)中滴加速率为10～80滴/min；反应温度为20～80℃；回流时间为1～5h。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(1.3)中高速离心时间为5～30min，离心速度为4000～8000r/min。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(1)中的表面官能团为胺基、羟胺基、酰基、酰胺基或环氧基团。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(2)中的有机溶剂为乙醇、丙酮、四氢呋喃、乙酸乙酯、乙醚或二甲基甲酰胺。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(2)中得到的改性氧化石墨烯的有机溶液的浓度为0.5～10mg/mL。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(3)中的金属为Ni、Zn、Al、Mg、Zr、Fe、Ag、Pt或Au。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(3)中的半金属为金属氢化物、金属互化物或金属氧化物，所述金属氢化物为MgH2、AlH3、Mg(BH4)2或LiH；所述金属互化物为B-Mg、B-Al、Zr-Al或Al-Mg；所述金属氧化物为Fe2O3、TiO2、P2O3、MgO、CuO或Al2O3。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，所述金属或半金属与改性氧化石墨烯的质量比为2000:1～100:1。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(3)中的反应温度为-10℃～+80℃。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(3)中改性氧化石墨烯有机溶液的滴加速率为10滴/min～100滴/min。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(3)中的反应时间为1～10h。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(3)中加入金属或半金属中的有机溶剂与改性氧化石墨烯有机溶液中的有机溶剂相同。在上述石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法中，步骤(4)中采用抽滤的方法去除石墨烯/金属或半金属的包覆物溶液中的溶剂，抽滤时间为3～15min。在上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/金属或半金属的壳‑核结构复合材料，其特征在于：其结构通式为：(R‑GO)M，其中R为表面官能团，GO为氧化石墨烯，M为金属或半金属。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料，其特征在于：其结构通式为：(R-GO)M，其中R为表面官能团，GO为氧化石墨烯，M为金属或半金属。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料，其特征在于：所述表面官能团为胺基、羟胺基、酰基、酰胺基或环氧基团。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料，其特征在于：所述金属为Ni、Zn、Al、Mg、Zr、Fe、Ag、Pt或Au。4.根据权利要求1所述的一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料，其特征在于：所述半金属为金属氢化物、金属互化物或金属氧化物。5.根据权利要求4所述的一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料，其特征在于：所述金属氢化物为MgH2、AlH3、Mg(BH4)2或LiH；所述金属互化物为B-Mg、B-Al、Zr-Al或Al-Mg；所述金属氧化物为Fe2O3、TiO2、P2O3、MgO、CuO或Al2O3。6.一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、对氧化石墨烯引入表面官能团，得到改性氧化石墨烯；(2)、将改性氧化石墨烯溶解于有机溶剂，得到改性氧化石墨烯的有机溶液；(3)、将金属或半金属中加入有机溶剂，搅拌均匀后滴加改性氧化石墨烯的有机溶液进行反应，得到石墨烯/金属或半金属的包覆物溶液；(4)、去除石墨烯/金属或半金属的包覆物溶液中的溶剂，干燥后得到石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料。7.根据权利要求6所述的一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中对氧化石墨烯引入表面官能团，得到改性氧化石墨烯的具体方法包括如下步骤：(1.1)、将氧化石墨烯水溶液进行超声分散并搅拌均匀，得到澄清溶液；(1.2)、将改性剂滴入氧化石墨烯澄清溶液中搅拌回流，控制反应温度、滴加速率和回流时间，得到改性氧化石墨烯溶液；(1.3)、将改性氧化石墨烯溶液高速离心、过滤后得到改性氧化石墨烯产物。8.根据权利要求7所述的一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1.3)得到的改性氧化石墨烯产物为凝胶状产物，将凝胶状产物清洗后，进行真空干燥，得到改性氧化石墨烯粉末。9.根据权利要求8所述的一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述真空干燥温度为60～120℃，真空干燥时间为5～24h。10.根据权利要求7所述的一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1.1)中氧化石墨烯水溶液的浓度为0.5～10mg/mL。11.根据权利要求7所述的一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1.2)中改性剂为乙二胺、己二胺、三乙醇胺、二乙醇胺、N,N-二乙基羟胺、N-乙酰基哌啶、N-乙酰基哌嗪、二甲基甲酰胺、异戊酰胺、乙酰胺、环氧乙烷或环氧丙烷。12.根据权利要求7所述的一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述改性剂与氧化石墨烯的质量比为1：5～20。13.根据权利要求7所述的一种石墨烯/金属或半金属的壳-核结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1.2)中滴加速率为10～80滴/min；反应温度为20～80℃；回流时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾健，张小平，庞爱民，
申请(专利权)人：湖北航天化学技术研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42