[發明專利]一種碳納米管/石墨烯三明治結構材料的快速制備方法

有效

• 申請號: 201210292216.0
• 申請日: 2012-08-16
• 公開（公告）號: CN102765713A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: 李云濤;文婕
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;C01B31/04;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 成都惠迪專利事務所 51215
• 代理人: 馬昌軍

技術領域

本發明屬于納米新材料領域，特別涉及一種碳納米管/石墨烯三明治結構材料的快速制備方法。

背景技術

碳納米管是一種由單層或者多層石墨卷曲而成的無縫中空的一維納米級管狀結構。碳納米管具有非常高的機械強度和優異的導電性，被視為高功率電極材料的良好選擇。但是所得碳納米管往往相互之間無規則糾纏，無法均勻分散，同時比表面積相對較小，限制了其研究應用。石墨烯是由單層sp²雜化碳原子構成的蜂窩狀二維平面晶體結構。雖然石墨烯具有高導電性和極高的理論比表面積(~2630m²g^-1)，但由于范德華力的作用容易形成宏觀聚集體，石墨烯片層之間互相雜亂堆疊分布，導致有效比表面積減少，以及作為電極材料時能量密度降低。隨著研究的深入，人們發現碳納米管和石墨烯在結構和性能上具有很多相似而又可以互補的地方，一維碳納米管和二維石墨烯構筑的碳納米管-石墨烯復合材料具有比表面積大、不易團聚等優良特性，存在重要的理論研究意義和潛在的應用價值。

中國專利CN201110261623公開了一種基于三維網絡形貌石墨烯-碳納米管的復合薄膜的制備方法，但是僅采用液相法將二者簡單混合，并輔助還原后處理，并不能充分有效地發揮二者的特性。中國專利CN200910078292公開了一種用碳納米管與石墨烯形成碳復合結構體的方法，利用碳納米管本身的力學性質，通過機械刮擦和加壓的方式，有效形成在垂直于襯底方向生長的一維多壁碳納米管陣列上，結合上二維石墨烯的碳復合結構體，該方法得到的樣品面積大，但產率低、耗時長。Z.J.Fan等人(Z.J.Fan,J.Yan,L.J.Zhi,Q.Zhang,T.Wei,F.Wei.Adv.Mater.22(2010):3723-3728)采用化學氣相沉積（CVD）法制備了碳管/石墨烯復合材料，該方法能使碳管規整地生長于石墨烯片層間，但在該復合材料制備過程中，需要通過氫氣還原催化劑才能生長碳管，且制備此三維碳管/石墨烯復合材料需要30min的生長時間。L.L.Zhang等人(L.L.Zhang,Z.G.Xiong,X.S.Zhao.ACS?Nano.11(2010):7030-7036)無需使用氫氣，利用碳質材料本身具有的還原性，采用CVD法制備了碳管柱撐石墨烯的三維結構復合碳材料，但此過程需要通碳源15-30分鐘，才能制備出該復合材料，且碳源為有毒的乙腈。

發明內容

本發明的目的在于提供一種碳納米管/石墨烯三明治結構復合材料的快速制備方法，該方法無需通過氫氣還原催化劑，采用廉價易得的甲烷為碳源，5分鐘即可制備出規整的三維碳納米管/石墨烯復合材料，過程簡單，且成本低。

本發明的技術方案為：

1）將催化劑在氮氣氣氛保護下，以8-12℃/min的升溫速度加熱至反應溫度800-950℃，催化劑被焙燒、還原；其中所述催化劑為負載在氧化石墨烯載體上的過渡金屬氫氧化物；優選為氫氧化鎳/氧化石墨烯。

2）然后將氣氛切換成甲烷進行碳納米管生長，反應5min即得碳納米管/石墨烯三明治結構復合材料；

3）在氮氣氣氛中冷卻至室溫即可。

作為本發明優選的方案：步驟1）所述升溫速度為8-10℃/min，升溫至840-860℃；更優選的是，步驟1）所述升溫速度為10℃/min。升溫速度過快，催化劑的焙燒不充分，也不易還原為活性組分；而當升溫速度過慢時，除了催化劑的焙燒時間耗時長，還可能使催化劑顆粒產生燒結，失去活性。試驗表明反應溫度溫度過高時，催化劑將產生燒結，這是需要避免的，但如果沉積溫度過低時，不利于催化劑中活性組分的焙燒和還原。

作為本發明優選的方案：步驟1）所述氮氣的體積流量為50-120mL/min（毫升每分鐘）。更優選的是，步驟1）所述氮氣的體積流量為100mL/min。

作為本發明優選的方案：步驟2）所述甲烷體積流量為80-120mL/min。更優選的是，步驟2）所述甲烷體積流量為80mL/min。

反應溫度優選840-860℃。

本發明所述催化劑以氧化石墨烯為載體，可以利用沉淀劑將活性組分硝酸鹽均勻沉淀于載體上；其中，氧化石墨烯懸浮液是由改進的Hummers法氧化天然鱗片石墨及超聲分散處理制得。

本發明的有益效果：