石墨烯负载铜-镍复合纳米光催化剂、制备方法及应用

摘要

本发明公开了一种石墨烯负载铜-镍复合纳米光催化剂、制备方法及应用，通过对有机分子修饰的氧化石墨烯和金属前驱体在碱性及较高温下溶剂热还原，不使用其他表面活性剂，不使用硼氢化钠、水合肼等有毒还原剂，得到高度分散和均匀的Cu-Ni/石墨烯复合纳米材料，其双金属负载量为10~15wt%。本制备方法具有反应条件温和、合成工艺简便易于操作、反应介质绿色环保等优点，合成的产品高效催化降解罗丹明B，具有良好的催化效果，在污水处理、有机物降解等领域的应用有广阔前景。

权利要求

1.一种石墨烯负载铜-镍复合纳米光催化剂的制备方法，该催化剂各组分所占的质量百分数为：Cu-Ni双金属的质量百分数为10~15%，单片层石墨烯质量百分数为85~90%；其中，Cu与Ni的原子比例为1:2~2:1，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：步骤1：将100mg固体氧化石墨加入到25ml有机胺或醇介质中，所述有机胺或醇为乙醇胺、乙二胺或聚乙烯醇，在室温下磁力搅拌和超声分散各30min；然后加入去离子水，继续磁力搅拌24h，把溶液离心水洗去除多余的有机胺或醇介质然后加去离子水洗涤离心，得到含有有机分子修饰的氧化石墨烯，备用；

步骤2：将步骤1得到的有机分子修饰的氧化石墨烯置于容器中，加入相同体积分数的浓度均为6-12mmol/L铜和镍的二价金属盐溶液，磁力搅拌混合均匀，混合溶液中氧化石墨烯纳米片含量为1.0g/L；

步骤3：将一定量的氢氧化钠加入混合溶液中，调节溶液的pH值，促进氧化石墨烯纳米片还原，持续磁力搅拌同时向溶液中通入惰性气体除掉溶液中的溶解氧，得到混合液；其中，所述NaOH浓度为0.1~2 mol/L，调整溶液pH为4~13；

步骤4：将经步骤3处理后混合液快速转入反应釜中，80~120℃温度下反应30~120min，得到产物；

步骤5：将经步骤4得到的产物用水和乙醇超声离心洗涤三次后，将产物浸泡在丙酮中使其表面微氧化，再用丙酮洗涤两次，60℃真空干燥6h，即得到石墨烯负载铜-镍复合纳米光催化剂。

2.一种如权利要求1所述的制备方法制备得到的石墨烯负载铜-镍复合纳米光催化剂应用于污水处理、有机物降解领域。

说明书

石墨烯负载铜-镍复合纳米光催化剂、制备方法及应用

技术领域

[0001] 本发明属于催化剂纳米材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯负载铜-镍双金属复合纳米光催化剂及制备方法。

背景技术

[0002] 随着经济的快速增长和工业化的高速推进，有机污染物造成的饮用水安全成为当前水处理界十分关注的问题。大量有机物及其前体物质都具有致癌、致畸等作用，直接或间接地威胁人类健康。光催化剂具有很强的氧化还原能力，在环境净化，有机物降解等领域具有广阔的应用前景。

[0003] 在催化领域中，石墨烯由于具有优异的导电性、导热性和结构稳定性，可作为催化剂的理想载体，其在催化领域的应用具有十分重要的意义。金属纳米材料被广泛应用于催化以及生物传感等领域。人们为了获得更大比表面积，努力制备尺寸更小的金属纳米材料，但是随着金属纳米材料的尺寸变小，其表面能也相应增加，进而会导致严重的团聚现象。为了减少团聚，各种稳定剂、活性剂和聚合物都被用来包裹金属纳米材料使他们在体系中能够稳定存在。然而由于包覆剂的存在，增加了金属颗粒表面的空间位阻，使得反应底物难以接近催化剂表面，降低了金属纳米材料的催化活性。因此在金属纳米材料的制备中引入一种理想的模板显得十分必要。用石墨烯作为模板负载金属纳米颗粒能够减少金属的团聚，增强催化活性，减少贵金属的用量，具有极高的经济价值。目前这一类复合材料主要集中于石墨烯负载Pt、Au、Ag、Pd等贵金属纳米粒子的研究。由于双金属比对应的单金属更具优势，将石墨烯与双金属纳米颗粒复合，在催化领域将有更好的应用前景。然而，在石墨烯表面有效控制双金属的结构与组成，仍然是当前的一个研究难点。又由于单分散性的Ni纳米粒子很难通过常用的还原剂还原其金属盐得到，因此Ni基双金属复合纳米粒子的合成很少有报道。

[0004] 为了研究石墨烯-铜镍双金属复合物的催化活性，我们进行了有机染料罗丹明B的光催化降解反应，这对寻求降解有机污染物更为高效的催化剂具有十分重要的意义。反应结果显示该新型复合物具有极强的催化活性。

发明内容

[0005] 针对现有问题，本发明提供一种石墨烯负载铜镍双金属复合纳米光催化剂及制备方法。本发明制备方法具有反应条件温和、合成工艺简便易于操作、反应介质绿色环保等优点，所得纳米二元非贵金属合金颗粒在石墨烯表面分散性好，且所得催化剂在可见光波段下能高效催化降解有机染料，在有机污染物降解、环保领域有良好的应用前景。

[0006] 本发明的技术方案如下：一种石墨烯负载铜-镍纳米光催化剂，该催化剂各组分所占的质量百分数为：Cu-Ni双金属的质量百分数为10~15%，单片层石墨烯质量百分数为85~90%；其中，Cu与Ni的原子比例为1:2~2:1。

[0007] 本发明的另一目的是提供上述石墨烯负载铜-镍复合纳米光催化剂的制备工艺，具体包括以下步骤：

[0008] 步骤1：将一定量的氧化石墨加入有机胺或醇介质中，在室温下磁力搅拌和超声分散各30min；然后加入去离子水，继续磁力搅拌24h，把溶液离心水洗去除多余的有机胺或醇介质然后加去离子水洗涤离心，得到含有有机分子修饰的氧化石墨烯，备用；

[0009] 步骤2：将步骤1得到的有机分子修饰的氧化石墨烯置于容器中，加入相同体积分数的浓度均为6-12mmol/L铜和镍的二价金属盐溶液，磁力搅拌混合均匀，混合溶液中氧化石墨烯纳米片含量为1.0g/L；

[0010] 步骤3：将一定量的氢氧化钠加入混合溶液中，调节溶液的pH值，促进氧化石墨烯纳米片还原，持续磁力搅拌同时向溶液中通入惰性气体除掉溶液中的溶解氧；

[0011] 步骤4：将经步骤3处理后混合液快速转入反应釜中，80~120℃温度下反应30~120min；

[0012] 步骤5：将经步骤4得到的产物用水和乙醇超声离心洗涤三次后，将产物浸泡在丙酮中使其表面微氧化，再用丙酮洗涤两次，60℃真空干燥6h，即得到石墨烯负载铜-镍复合纳米光催化剂。

[0013] 进一步，所述的有机胺或醇为乙醇胺、乙二胺、聚乙烯醇等任意一种，所述超声剥离处理时间为30~60min。

[0014] 进一步，本发明所述加入NaOH的浓度为0.1~2 mol/L，调整溶液pH在4~13。

[0015] 本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明具有以下特点：

[0016] 一、氧化石墨被超声分散于乙二胺等有机分子中，分散后不易重新团聚，在一定温度下，利用有机分子的还原性及溶剂热还原，将氧化石墨烯和吸附在其表面的金属离子共还原，不使用其他表面活性剂，不使用硼氢化钠、水合肼等有毒还原剂，得到高度分散和均匀的Cu-Ni双金属/石墨烯复合纳米材料，所得材料纯度较高，合成方法简单，易于操作，可连续化生产，能极大地促进Cu-Ni双金属纳米粒子在催化领域的应用，有很好的发展前景。

[0017] 二、溶剂热还原技术操作简单，通过调整反应物的用量和还原时间，很容易实现具有细小而均匀粒径的Cu-Ni双金属/石墨烯复合纳米材料的可控合成。

附图说明

[0018] 图1是实施例1制备的石墨烯负载Cu-Ni复合纳米材料的扫描电镜示意图。

[0019] 图2是实施例1制备的石墨烯负载Cu-Ni复合纳米材料的能谱图。

[0020] 图3(a)是实施例1制备的Cu-Ni /还原氧化石墨烯对罗丹明B可见光催化降解的紫外可见吸收光谱随时间变化效果图。图3(b)是实施例1制备的Cu/还原氧化石墨烯对罗丹明B可见光催化降解的紫外可见吸收光谱随时间变化效果图。

具体实施方式

[0021] 下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案做进一步说明。

[0022] 实施例1：

[0023] 取100mg固体氧化石墨加入到25ml的乙醇胺中，在室温下磁力搅拌和超声分散各30min；然后加入100ml去离子水，继续磁力搅拌24h，把溶液离心水洗去除多余的乙醇胺；
各量取50ml Cu(NO3)2(6mmol/L)和Ni(NO3)2 (6mmol/L) 的乙二醇溶液加入到上述氧化石墨烯中，然后加入浓度为0.1 g/L的NaOH，调节pH值为4, 80℃水浴温度条件下磁力搅拌
30min，磁力搅拌同时向溶液中通入氮气除掉溶液中的溶解氧；将混合液快速转入到聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中，反应釜在80℃恒温反应0.5h；自然冷却至室温，将所得产物用水和乙醇超声洗涤三次后浸泡在丙酮中，再用丙酮洗涤两次，60℃真空干燥6h，即得到所述产物。图1和2分别为实施例1制备的石墨烯负载Cu-Ni复合纳米材料的扫描电镜和能谱图。由图可见，本实施例制备的Cu-Ni粒子平均粒径约100 nm，粒径分布较均匀，在石墨烯片层上分散性好，无明显聚积。Cu-Ni/还原氧化石墨烯复合物与单金属Cu/还原氧化石墨烯分别光催化降解罗丹明B的紫外可见吸收光谱图如图3所示，光照时间达90min时双金属比单金属复合材料对罗丹明B的降解效率提高20%。

[0024] 实施例2：

[0025] 取100mg固体氧化石墨加入到25ml的聚乙烯醇中，在室温下磁力搅拌和超声分散各60min；然后加入100ml去离子水，继续磁力搅拌24h，把溶液离心水洗去除多余的聚乙烯醇；各量取50mlCu(NO3)2(12mmol/L)和Ni(NO3)2 (12mmol/L) 的乙二醇溶液加入到上述氧化石墨烯中，然后加入浓度为1.2g /L的 NaOH，调节pH值为13，120℃水浴温度条件下磁力搅拌80min，磁力搅拌同时向溶液中通入氮气除掉溶液中的溶解氧；将混合液快速转入到聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中，反应釜在80℃恒温反应120min；自然冷却至室温，将所得产物用水和乙醇超声洗涤三次后浸泡在丙酮中，再用丙酮洗涤两次，60℃真空干燥6h，即得到石墨烯负载铜-镍复合纳米光催化剂。

[0026] 实施例3：

[0027] 取100mg固体氧化石墨加入到25ml的乙二胺中，在室温下磁力搅拌和超声分散各30min；然后加入100ml去离子水，继续磁力搅拌24h，把溶液离心水洗去除多余的乙二胺；
各量取50mlCu(NO3)2(8mmol/L)和Ni(NO3)2 (8mmol/L) 的乙二醇溶液加入到上述氧化石墨烯中，然后加入浓度为0.8g /L的NaOH，调节pH至为13，100℃水浴温度条件下磁力搅拌
120min，磁力搅拌同时向溶液中通入氮气除掉溶液中的溶解氧；将混合液快速转入到聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中，反应釜在120℃恒温反应0.5h；自然冷却至室温，将所得产物用水和乙醇超声洗涤三次后浸泡在丙酮中，再用丙酮洗涤两次，60℃真空干燥6h，即得到石墨烯负载铜-镍复合纳米光催化剂。