激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法

本发明属于石墨烯复合材料制备，具体的说，是涉及一种金属氧化物/石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术：

1、石墨烯是二维碳材料，sp2杂化的碳原子紧密堆积成蜂窝状结构；因其高比表面积、优异的导电性、导热性和机械性能等优势，广泛应用在电子、输运、传感等领域。基于石墨烯特有的二维晶格结构、热学及电子学特性，将其与金属氧化物等材料进行复合，不仅能够大大改善纳米复合材料的电子传输性能，更能增加复合材料的比表面积，进一步拓宽了石墨烯在储能、催化、抗菌等方面的应用，是当前材料领域的研究热点。

2、到目前为止，金属氧化物/石墨烯复合材料的制备方法多种多样，通常包括两个主要步骤：首先是石墨烯的制备，如机械剥离、化学气相沉积、水热法(氧化还原法)等方法，然后通过物理或化学方法如水热法、溶胶-凝胶法、磁控溅射法、电化学沉积等方法将金属氧化物沉积在石墨烯基底上得到复合材料。例如，song(10.1002/chem.201700225)等人使用两步水热法制备了超薄co3o4/rgo纳米复合材料，该复合材料在碱性条件下表现出优异的oer催化性能；duc tai dam(10.1021/am500700x)等人采用一锅溶胶-凝胶法制备了含有ni前驱体的氧化石墨烯复合材料，随后在空气中经过热处理步骤，最终得到氧化镍/石墨烯复合材料。但是，上述制备方法存在工艺流程较复杂，反应时间过长等缺点。激光诱导含碳材料制备石墨烯，合成方法简单、成本低、形状尺寸可控。因此，激光诱导技术已成为石墨烯制造领域中的一种强大的替代方法。含碳量丰富的生物质材料如木材、竹子、麦秸秆等作为一种可再生的自然资源，来源广泛，成本低，具有天然的三维多孔结构。然而，激光诱导生物质材料形成石墨烯通常需要复杂的设备来提供惰性气体环境，并且目前制备金属氧化物/激光诱导石墨烯复合材料同样需要额外功率的输入，包括沉积、磁控溅射等复杂的程序多步合成。例如，chenguang zhu(10.1016/j.apsusc.2021.150978)等人首先在聚醚醚酮上进行激光诱导制备激光诱导石墨烯，然后液相激光烧蚀制备金属氧化物纳米颗粒，最后将反应液滴至激光诱导石墨烯上，进行干燥后合成金属氧化物/激光诱导石墨烯复合材料，制备过程仍然需要多步合成。因此，开发一种高效可控、工艺简单的金属氧化物/激光诱导石墨烯复合材料的合成方法是十分必要的。

技术实现思路

1、本发明旨在通过一种简单的激光诱导一步合成金属氧化物/激光诱导石墨烯的通用方法，在合成过程中，生物质材料被很好地转化为激光诱导石墨烯(laser inducedgraphene,lig)，金属前驱体(metallic oxide，mo)被氧化为金属氧化物，同时分散且固定在激光诱导石墨烯上。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

3、本发明提供了一种激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法，利用激光直接作用在浸渍过金属盐溶液的生物质基底上，合成激光诱导石墨烯负载金属氧化物纳米颗粒的复合材料。

4、进一步地，包括如下步骤：

5、(1)将生物质材料切割成薄片，作为生物质基底；所述生物质基底用去离子水清洗后干燥；将金属盐溶解在溶剂中，并充分搅拌后，得到金属盐溶液；

6、(2)将步骤(1)得到的所述生物质基底置于步骤(1)得到的所述金属盐溶液中，充分浸渍；

7、(3)将步骤(2)得到的浸渍过金属盐溶液的生物质基底干燥后置于激光光源下，经过激光诱导得到复合材料。

8、优选地，所述激光的波长为450-480nm、625-740nm、9.3-10.6μm、1064nm中的一种。

9、优选地，所述激光的功率为0.01-30w。

10、优选地，所述激光的扫描速度为500-5000mm/s。

11、优选地，形成所述激光的设备为光纤激光器、固态激光器、气体激光器、半导体激光器中的一种。

12、进一步地，在室温，以及无保护气氛或o2/ar或o2/n2的条件下进行。

13、进一步地，所述生物质基底的厚度为0.02-2mm。

14、进一步地，所述生物质基底为木本植物材料、禾本植物材料、藤本植物材料、竹材材料、壳质类材料、纤维素材料、木质素材料、半纤维素材料、甲壳素类材料中的一种。

15、优选地，所述金属盐溶液为金属铬盐溶液、金属镍盐溶液、金属锰盐溶液、金属钴盐溶液、金属铁盐溶液、金属铜盐溶液中的至少一种；所述金属盐溶液的浓度为0.1 -1m。

16、本发明的有益效果是：

17、本发明提供了一种激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法，以浸渍过金属盐溶液的生物质材料干燥后为原料，通过激光诱导，使金属前驱体被氧化为金属氧化物纳米颗粒，同时生物质材料转化为石墨烯；生物质材料其独特的直通道和分级多孔结构以及丰富的表面官能团，促进了对金属盐的吸收能力和锚定作用，浸渍过渡金属盐的生物质材料颜色变深，增强了激光吸收能力，可以在空气中较小的激光能量下激光直接刻划转化为激光诱导石墨烯激光诱导石墨烯。并且，本发明能够在无保护气氛的条件下通过改变激光参数、金属盐浓度以及种类来调节金属氧化物/石墨烯的组成和形貌结构。另外，本发明涉及的生物质材料来源广泛、成本低廉，同时制备操作简便且能耗低，有助于复合材料在催化、传感等多领域中的规模化生产和应用。

技术特征：

1.一种激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法，其特征在于，利用激光直接作用在浸渍过金属盐溶液的生物质基底上，合成激光诱导石墨烯负载金属氧化物纳米颗粒的复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求1或2所述的一种激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法，其特征在于，所述激光的波长为450-480nm、625-740nm、9.3-10.6μm、1064nm中的一种。

4.根据权利要求1或2所述的一种激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法，其特征在于，所述激光的功率为0.01-30w。

5.根据权利要求1或2所述的一种激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法，其特征在于，所述激光的扫描速度为500-5000mm/s。

6.根据权利要求1或2所述的一种激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法，其特征在于，形成所述激光的设备为光纤激光器、固态激光器、气体激光器、半导体激光器中的一种。

7.根据权利要求1或2所述的一种激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法，其特征在于，在室温，以及无保护气氛或o2/ar或o2/n2的条件下进行。

8.根据权利要求1或2所述的一种激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法，其特征在于，所述生物质基底的厚度为0.02-2mm。

9.根据权利要求1或2所述的一种激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法，其特征在于，所述生物质基底为木本植物材料、禾本植物材料、藤本植物材料、竹材材料、壳质类材料、纤维素材料、木质素材料、半纤维素材料、甲壳素类材料中的一种。

10.根据权利要求1或2所述的一种激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法，其特征在于，所述金属盐溶液为金属铬盐溶液、金属镍盐溶液、金属锰盐溶液、金属钴盐溶液、金属铁盐溶液、金属铜盐溶液中的至少一种；所述金属盐溶液的浓度为0.1-1m。

技术总结
本发明属于石墨烯复合材料制备技术领域，公开了一种激光诱导一步合成金属氧化物/石墨烯复合材料通用方法，该方法利用激光直接作用在浸渍过金属盐溶液的生物质基底上，合成激光诱导石墨烯负载金属氧化物纳米颗粒的复合材料。本发明能够将生物质材料很好地转化为激光诱导石墨烯，将金属前驱体氧化为金属氧化物，同时分散且固定在激光诱导石墨烯上；本发明材料来源广泛、成本低廉，同时制备操作简便且能耗低，有助于复合材料在催化、传感等多领域中的规模化生产和应用。

技术研发人员：马雷,李江丽,马彦青,余雪
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15