本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合纳米材料的制备方法。该材料由以下步骤制备而得：将木醋杆菌发酵产生的絮状细菌纤维素预处理后，经冷冻干燥后得到絮状细菌纤维素；通过高速均质得到均匀溶液，与氧化石墨烯混合，超声使其分散均匀；再加入多巴胺溶液，机械搅拌混合，最后加入氯铂酸，经高温碳化，得到氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合纳米材料。本发明专利技术制备的复合纳米材料采用一步法碳化，反应过程简单易操作，在多巴胺的作用下键合絮状细菌纤维素与氧化石墨烯，形成三维网状交联骨架结构，在碳化过程中，实现氮掺杂与铂还原，制备得到粒径小、分布均匀的导电纳米复合体系，可应用于燃料电池、超级电容器等应用领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于纳米复合材料
，具体涉及一种氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合纳米材料的制备方法。
技术介绍
石墨烯(Graphene，简称GE)是由sp2杂化碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体材料。由于具有优良的导电性，较高的比表面积、良好的环境稳定性等特点近年来受到广泛地关注。然而，石墨烯由于层与层之间的较强的π-π堆积，极易引起不可逆的团聚或堆垛表，难以分散均匀。氧化石墨烯(GrapheneOxide，简称GO)是石墨烯的重要衍生材料。由于具有典型的准二维空间结构，丰富的含氧基团，良好的亲水性和机械性能，分散稳定性等，氧化石墨烯广泛用于材料的改性，或石墨烯及其复合材料起始材料。细菌纤维素(BacterialCellulose，简称BC)是由细菌次级代谢产生的一类高分子化合物，来源广泛，廉价易得，形貌均一可控，是一种可再生的环境友好型生物质材料。近年来，碳化细菌纤维素(CarbonizedBacterialCellulose，简称CBC)由于能保留其前驱体细菌纤维素所具有的三维网状纳米纤维、优异的导电性及化学稳定性等特性，受到广泛关注，尤其在储能材料领域。将碳化细菌纤维素作为桥梁支架复合氧化石墨烯材料，能有效防止石墨烯由于层与层之间的较强的π-π堆积引起的不可逆的团聚或堆垛,从而使石墨烯的分散性更好。目前报道的复合细菌纤维素与石墨烯的方法中，主要采用的都是高速均质细菌纤维素膜，再与石墨烯类材料混合反应。例如，文献(KiziltasEE,KiziltasA,RhodesK,etal.Electricallyconductivenanographite-filledbacterialcellulosecomposites[J].Carbohydratepolymers,2016,136:1144-1151)报道了一种采用均质细菌纤维素膜与石墨烯片层混合的方法，制备得到一种细菌纤维素/氧化石墨烯复合膜材料。然而均质的细菌纤维素膜形成的小片网状纤维大小并不均匀，与氧化石墨烯结合之后的复合材料也易造成分布不均匀，进而使得导电性分布不均匀，影响整体的导电性能。文献(LiuY,ZhouJ,ZhuE,etal.Facilesynthesisofbacterialcellulosefibrescovalentlyintercalatedwithgrapheneoxidebyone-stepcross-linkingforrobustsupercapacitors[J].JournalofMaterialsChemistryC,2015,3(5):1011-1017)报道了采用絮状细菌纤维素与氧化石墨烯在交联剂作用下酯化反应，形成三维网状交联结构。然而，细菌纤维素本身并不能导电，氧化石墨烯导电性比石墨烯差，从而导致细菌纤维素/氧化石墨烯复合材料整体的导电性不是很好，而良好的导电性能是获得良好电池或储能等效果的必要特性。近年来，氮掺杂碳材料凭借其优异的理化性质收到研究人员的广泛关注。因此，探索出一种具有良好导电性能的氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯材料的制备方法，对于其作为储能载体材料的进一步应用十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于提供了一种氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合纳米材料的制备方法，基于多巴胺不仅作为交联剂交联细菌纤维素与氧化石墨烯，同时在碳化过程中作为氮源，将氮元素引入碳材料结构中，制备得到氮掺杂复合材料；掺杂氮的碳材料可以给金属纳米粒子提供成核位点，从而有利于纳米铂粒子在碳化过程中被还原固定在碳材料上。实现本专利技术的技术解决方案为：第一步，将木醋杆菌发酵产生的絮状细菌纤维素进行预处理，得到纯净的絮状细菌纤维素；第二步，将絮状细菌纤维素高速均质成均匀溶液，与氧化石墨烯混合，超声使其分散均匀，得到混合溶液；第三步，在第二步得到的混合溶液中加入多巴胺溶液，超声吸附，25℃-30℃下机械搅拌，待搅拌2h后，加入氯铂酸溶液，继续搅拌均匀；第四步，将第三步中的反应产物过滤洗涤，干燥后得到细菌纤维素/氧化石墨烯/铂前驱体；第五步，将前驱体加热至400℃，保温1h，再升温至800℃-1000℃，保温2h，高温碳化得到氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合材料。第一步中，预处理是用质量分数0.1％～4％的NaOH和0.1％～4％H2O2在60～90℃条件下处理1～5h，自来水冲洗至中性，在-55℃的条件下冷冻干燥12-18h得到细菌纤维素气凝胶。第二步中，采用高速均质机进行均质，转速为15000r/min，时间为30min；其中絮状细菌纤维素与氧化石墨烯的质量比为5：1。第三步中，超声为置于功率100W的超声机中用冰水浴超声30min，搅拌总时间为6h；多巴胺溶液浓度为5mg/mL，混合溶液与多巴胺溶液体积比为4：1，氯铂酸的物质的量浓度为0.0386mol/L，铂在纤维素上负载量为20wt.％。第四步中，过滤为布式漏斗过滤，过滤洗涤为用去离子水反复洗涤过滤至中性，冷冻干燥温度-47～-54℃，时间为10～24h。第五步中，高温碳化在氢气/氩气混合气氛进行，优选的，升温速率为2℃/min。上述制备的氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合纳米材料结构为海绵状结构，其掺杂的氮含量为10.2％，纳米铂粒子的尺寸为1.9nm-2.2nm。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：(1)本专利技术将碳化细菌纤维素作为桥梁支架复合氧化石墨烯材料，不仅能有效防止石墨烯层间堆垛,还能提高导电纤维，使得复合材料的导电性能大幅提升；(2)本专利技术中多巴胺的加入提供着多种作用：作为交联剂连接细菌纤维素与氧化石墨烯，作为氮源使得氮掺杂方法简单，同时，作为弱碱提供碱性环境，有利于还原纳米铂粒子。(3)由于在碳材料中引入氮元素，氮元素与铂粒子之间可以形成相互作用，使得纳米铂粒子在还原过程中更容易固定在碳材料上，有利于其催化性能的提高，有望用于燃料电池等器件。附图说明图1是本专利技术氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合纳米材料的制备工艺流程图。图2是本专利技术氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合纳米材料的扫描电镜图。其中，a为500μm尺寸下观察的扫描电镜图，图b为图a中部分区域的放大至100μm尺寸下观察的扫描电镜图图。图3是本专利技术氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合纳米材料的X射线光电子能谱对比图像。图4是本专利技术一种氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯(NCBC/GE)材料与氮掺杂碳化细菌纤维素(NCBC)的导电性能对比图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术的一种氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合纳米材料的制备方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：第一步：取木醋杆菌静态发酵的絮状细菌纤维素，用质量分数0.1％～4％的NaOH和0.1％～4％H2O2在60～90℃条件下处理1～5h。持续流动自来水冲洗干净(获得纯净的絮状细菌纤维素原料)。将处理后的絮状细菌纤维素放置在冷冻干燥机中冷冻干燥，温度-47～-54℃，时间10～24h，真空袋装备用；第二步：将改进Hummers法制备的氧化石墨烯分散都水中，100W超声分散，形成均匀的氧化石墨烯悬液；将准备好的絮状细菌纤维素用高速本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：第一步，将木醋杆菌发酵产生的絮状细菌纤维素进行预处理，得到纯净的絮状细菌纤维素；第二步，将絮状细菌纤维素高速均质成均匀溶液，与氧化石墨烯混合，超声使其分散均匀，得到混合溶液；第三步，在第二步得到的混合溶液中加入多巴胺溶液，超声吸附后，在25℃‑30℃下机械搅拌；待搅拌2h后，加入氯铂酸溶液，继续搅拌均匀；第四步，将第三步中的反应产物过滤洗涤，冷冻干燥后得到细菌纤维素/氧化石墨烯/铂前驱体；第五步，将前驱体加热至400℃，保温1h，再升温至800℃‑1000℃，保温2h，高温碳化得到氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合材料。
【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：第一步，将木醋杆菌发酵产生的絮状细菌纤维素进行预处理，得到纯净的絮状细菌纤维素；第二步，将絮状细菌纤维素高速均质成均匀溶液，与氧化石墨烯混合，超声使其分散均匀，得到混合溶液；第三步，在第二步得到的混合溶液中加入多巴胺溶液，超声吸附后，在25℃-30℃下机械搅拌；待搅拌2h后，加入氯铂酸溶液，继续搅拌均匀；第四步，将第三步中的反应产物过滤洗涤，冷冻干燥后得到细菌纤维素/氧化石墨烯/铂前驱体；第五步，将前驱体加热至400℃，保温1h，再升温至800℃-1000℃，保温2h，高温碳化得到氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合材料。2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合纳米材料的制备方法，其特征在于，第一步中，所述的预处理为用质量分数0.1％～4％的NaOH和0.1％～4％H2O2在60～90℃条件下处理1～5h，自来水冲洗至中性，在-55℃的条件下冷冻干燥12-18h得到细菌纤维素气凝胶。3.根据权利要求1所述的氮掺杂碳化细菌纤维素/石墨烯/铂复合纳米材料的制备方法，其特征在于，第二步中，所述的均质采用高速均质机，转速为15000r/min，时间为30min；所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙东平，袁凡舒，黄洋，陈春涛，范孟孟，张衡，杨加志，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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