一种碳化钨/石墨烯纳米复合材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳化钨/石墨烯纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：（1）首先将含钨物质溶解在溶剂中，加入适量的分散剂，接着加入石墨烯粉，超声分散，得到均匀分散的油墨状混合液；（2）接着转移置微波炉，间歇加热，直至得到粉末状产物；（3）还原气氛下，将粉末产物在高温下煅烧3-5小时，冷却，即得到碳化钨/石墨烯纳米复合材料。本发明专利技术制备过程简单，快速省时，制备的碳化钨/石墨烯纳米复合材料具有碳化钨颗粒小、分布均匀、物相单一等特点。由上述制备方法制成的该纳米复合材料作为催化剂或者催化剂载体，有望应用于电化学催化、敏感器和有机合成等领域，以达到节约贵金属催化剂的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳化钨/石墨烯纳米复合材料，它可以作为电化学和有机合成中的催化剂或催化剂载体。本专利技术还涉及该碳化钨/石墨烯纳米复合材料的制备方法。
技术介绍
碳化钨(WC)是一种具有独特物理和化学特性的材料。一方面，碳化钨具有高硬度、高耐磨性、高熔点、耐腐蚀等特点而广泛应用于切削工具、耐磨工具、精密磨具和钻头。另一方面，碳化鹤具有类似钼的催化活性(R.B.Levy, M.Boudart, Science, 1973, 181:547.)，物理和化学性能稳定，且价格低廉，作为催化剂在一些领域表现出独特的催化活性。随着人们对清洁能源的重视，碳化钨在催化领域，例如直接甲醇燃料电池、锂离子电池、催化析氢、超大电容器以及催化加氢脱氯等方面的应用引起了科学家的广泛关注。在电化学领域，碳化钨作为阳极催化剂的优势在于它不仅具有催化性能可以代替钼、钯等贵重金属，而且不易被一氧化碳毒化(Y.Wang, S.Q.Song, P.K.Shen, et al., J.Mater.Chem., 2009, 19: 6149.)。因而，碳化钨催化剂可以部分代替或者一定程度上节省钼、钯等贵重金属，其应用前景广阔。碳化钨的传统制备工艺秉承于冶金工业，它通过钨粉和炭粉在1500°C以上的高温反应而得。但用这种方法制得的碳化钨产物团聚严重、比表面积小、纯度低，只能满足冶金工业需要，不能有效的发挥其催化作用。为了适应碳化钨在催化和吸附方面的应用，科研人员开发了一些制备高比表面积碳化钨的方法。例如，气相反应物和固相金属化合物的反应，挥发性金属化合物的气相反应和气相沉积法等。通常，采用高比表面积载体与碳化钨复合对于提高碳化钨的催化活性和稳定性起着重要的作用，这主要由于载体的高比表面积有利于碳化钨的高度分散。石墨烯(Graphene)是由碳原子以sp2杂化连接的单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，其理论厚度只有0.355nm，是世界上目前已知最薄的二维材料。因而，石墨烯具有良好的导电性、高的比表面积(单层石墨烯具有超大的比表面积，其理论值高达2600m2/g)，同时具有良好的吸附能力，这些特点都为石墨烯作为催化载体提供了明显的优势。因此，如何采用简单易行的方法制备出比表面积高、碳化钨颗粒小且分散均匀的碳化钨/石墨烯纳米复合材料，对于促进碳化钨催化剂的开发和应用具有重要的科学意义。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种碳化钨/石墨烯纳米复合材料，该材料具有碳化钨颗粒小、分散均匀和物相单一等特点。该复合材料有望广泛应用于各种电化学催化、敏感器和有机合成等，尤其是可直接作为甲醇燃料电池的催化剂或载体，以达到节约贵金属催化剂的目的，本专利技术还提供了制备所述碳化钨/石墨烯纳米复合材料的方法，以解决上述
技术介绍
中的缺点。本专利技术所解决的技术问题采用以下技术方案来实现: 一种碳化钨/石墨烯纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤: (1)将含钨物质溶解在溶剂中，加入适量的分散剂，接着加入石墨烯粉，超声分散，得到均勻分散的油墨状混合溶液； (2)将步骤(I)所得的油墨状混合溶液置于微波炉，采用间歇式加热，直至得到粉末状产物； (3)在还原气氛下，将步骤(2)所得的产物在高温下煅烧3-5小时，而后冷却，即得到碳化钨/石墨烯纳米复合材料。优选地，(I)步骤中，所述含钨物质为钨酸、钨酸盐、偏钨酸盐中的一种或两种以上的混合物，且溶液中含钨物质的质量百分含量为3-10%，所述分散剂为N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或者两种以上的混合物，且分散剂的质量百分含量为5-50%，所述含钨物质与石墨烯粉的质量比为1:1-15。优选地，步骤(2)中，所述间歇式微波加热时间为5-30分钟，在所述步骤(3)中，所述高温条件优选为700 1200°C。在所述步骤(3)中，最佳条件是，所述高温温度为900°C，煅烧时间为4小时。优选地，所述还原气氛为氢气或甲烷与惰性气体的混合气，其气流量为30 80mL/min,体积比为1:1 6,优选体积比为1:4。根据以上任一项制备方法可以制成本专利技术所述的碳化钨/石墨烯纳米复合材料。有益效果 本专利技术相对于现有技术具有如下优点: (I)采用微波预热处理，含钨物质析出速度快，生成的晶粒尺寸小，有利于含钨物质在石墨烯载体的分散和负载。(2)含钨物质和石墨烯粉末不需要分离，便于调节钨源(含钨物质)和碳源(石墨烯)的理论质量比。(3)石墨稀具有闻的比表面积和闻的吸附性能，有利于含鹤物质在石墨稀载体上的负载和分散。(4)石墨烯既是载体，也是反应物碳源，不需要引入其它杂质，反应得到的产物纯度高、物相单一。与现有的技术相比，本专利技术得到的碳化钨/石墨烯纳米复合材料物相单一、碳化钨颗粒小且分散均匀。该复合材料可以广泛应用于各种电化学催化、敏感器和有机合成等，尤其是可作为直接甲醇燃料电池的催化剂或载体，以达到节约贵金属催化剂的目标。附图说明图1为碳化钨/石墨烯纳米复合材料的广角X-射线衍射图。图2为碳化钨/石墨烯纳米复合材料的透射电镜图。具体实施例方式下面结合实施例对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但不受限于这些实施例。实施例1 取2 g石墨粉加入到50 mL浓硫酸中，置于冰浴中冷却到0 °C，逐滴加入5.0 g的KMnO4，升温至30 °C，搅拌2 h。然后，分别缓慢加入400 mL水和4 mL双氧水，离心(800rpm)除去杂质,继续超声I h,继而微波热处理I h,即得到氧化石墨烯。室温下，取l.0g偏钨酸铵和4.0g N-甲基吡咯烷酮，分别加入到30.0 g去离子水中，搅拌，直至溶液澄清透明。然后加入2g氧化石墨烯，在冰水浴中超声(400 W，50 Hz)分散30分钟，即得到均匀分散的油墨状混合液。将上述油墨状混合溶液置于微波炉，采用间歇式加热方式，微波(800 W，2450 Hz)处理30分钟，得到黑色固体粉末。接着置于管式炉中，通入气流量为30 mL/min、体积比为6:1的氮气和氢气的混合气，逐渐升温至700°C，煅烧4小时，程序升温速率为3°C /min。然后自然冷却，研磨，即得到碳化钨/石墨烯纳米复合材料。图1为该实施例所制备的碳化钨/石墨烯纳米复合材料的XRD图。可以看出，图中所有的特征衍射峰均与WC的物相(标准卡片roF#51-0939)完全吻合，表明该复合材料为单一的WC物相。2 0在26°左右的弱衍射峰为石墨烯的特征峰。图2为该实施例所制备的碳化钨/石墨烯纳米复合材料的TEM透射电镜图，可以看出,WC纳米颗粒均勻分散在石墨烯的片层上,纳米WC的粒径在1(T30 nm之间，证明了本专利技术制备的碳化钨/石墨烯纳米复合材料中碳化钨颗粒小、分布均匀。实施例2 取2g石墨粉加入到50 mL浓硫酸中，置于冰浴中冷却到0 °C，逐滴加入5.5 g的KMnO4,升温至30 °C，搅拌2 h。然后，分别缓慢加入400 mL水和5 mL双氧水，离心(800 rpm)除去杂质，继续超声I h，继而微波热处理I h，即得到氧化石墨烯。室温下，取1.0 g偏钨酸铵和2.4g聚乙烯吡咯烷酮，分别加入到30.0 g去离子水中，搅拌，直至溶液澄清透明。然后加入1.2g氧化石墨烯，在冰水浴中超声(400 W本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化钨/石墨烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：??（1）将含钨物质溶解在溶剂中，加入适量的分散剂，接着加入石墨烯粉，超声分散，得到均匀分散的油墨状混合溶液；??（2）将步骤（1）所得的油墨状混合溶液置于微波炉，采用间歇式加热，直至得到粉末状产物；??（3）在还原气氛下，将步骤（2）所得的产物在高温下煅烧3?5小时，而后冷却，即得到碳化钨/石墨烯纳米复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳化钨/石墨烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)将含钨物质溶解在溶剂中，加入适量的分散剂，接着加入石墨烯粉，超声分散，得到均勻分散的油墨状混合溶液； (2)将步骤(I)所得的油墨状混合溶液置于微波炉，采用间歇式加热，直至得到粉末状产物； (3)在还原气氛下，将步骤(2)所得的产物在高温下煅烧3-5小时，而后冷却，即得到碳化钨/石墨烯纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的一种碳化钨/石墨烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述含钨物质为钨酸、钨酸盐、偏钨酸盐中的一种或两种以上的混合物，且溶液中含钨物质的质量百分含量为3_10%。3.根据权利要求1所述的一种碳化钨/石墨烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述分散剂为N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或者两种以上的混合物，且分散剂的质量百分含量为5-50%。4.根据权利要求1所述的一种碳化钨/石墨烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述含鹤物质...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏燎原，谭彬，叶国富，邓凌峰，袁志庆，何新快，刘奇龙，
申请(专利权)人：湖南元素密码石墨烯研究院有限合伙，
类型：发明
国别省市：