[發明專利]三維網絡結構復合材料、制備方法及應用

有效

• 申請號: 201310142488.7
• 申請日: 2013-04-23
• 公開（公告）號: CN103203252A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 潘春旭;柏曉雪;張豫鵬
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: B01J31/26
• 分類號: B01J31/26;B01J31/38;B01J31/28;B01J35/10
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

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技術領域

本發明涉及三維網絡結構材料，尤其涉及一種三維網絡結構復合材料、制備方法及應用。

背景技術

三維網絡結構，是一種三維空間的互相結合盤繞的網絡狀的結構。近幾年來，碳材料、金屬及其復合材料已被應用于制備三維網絡結構，使其具有高耐磨性、高斷裂強度、高比強度和可控制的電熱性能等特點，在航天航空、汽車、電子、機械制造等領域展示了廣泛的應用前景。

自2004年發現石墨烯以來，石墨烯因其優異的電子傳輸性能、高導電導熱性能和優異的機械性能，被認為是未來的“明星材料”，在許多領域得到廣泛的應用。目前，利用化學氧化法可實現石墨烯的大批量制備，在此基礎上，石墨烯紙和還原石墨烯膜已被制備，并應用在能源存儲、透明電極、機械驅動器等領域。但是，要擴大石墨烯的應用還需要將其組裝成各種宏觀結構。

導電聚合物，又稱導電高分子，是通過元素摻雜等手段使其電導率能夠在半導體和導體范圍內變化的聚合物，通常指本征導電聚合物。這類聚合物主鏈上含有交替的單鍵和雙鍵，從而形成了大的共軛π體系，π電子的流動產生了導電的可能性。導電聚合物本身所具有的大分子鏈使其力學性能也明顯優于其它結構。

石墨烯是一種零帶隙半導體材料。純石墨烯沒有光電活性，但通過其它半導體納米材料的功能化處理，可以誘生石墨烯的半導體性質，并在其系統中實現能量和電子轉移。由于石墨烯是一種二維薄膜材料，因此可作為理想的二維載體去設計能量和電子轉移的雜化排列。石墨烯與半導體納米材料的復合已被廣泛應用于光電催化和太陽能電池領域。

一般來說，將石墨烯組裝成具有三維網絡結構的大孔材料可大大增加其比表面積，在實際應用中具有重要的意義和價值。目前，制備三維網絡結構石墨烯的方法主要有凝膠法、溶液自組裝法、流延成型法和溶劑熱反應法。

（一）凝膠法

凝膠法是一種簡潔方便的制備方法，是利用DNA、蛋白質、聚合物和金屬離子等作為調節氧化石墨烯內部各基團之間相互作用的交聯劑，把氧化石墨烯和交聯劑的混合物通過超聲振動，使其均勻分散在水中，最后獲得石墨烯的三維網絡結構。但該方法存在缺點：原料成本較高，存在殘留的小孔洞，反應時間較長，且有機溶劑對人體有一定的危害性。

（二）溶液自組裝法

溶液自組裝法主要是通過化學修飾的石墨烯衍生物在溶液中進行自組裝的一種方法。石墨烯的衍生物由于具有豐富的官能團，其在水溶液中展現出各種各樣的組裝能力。該方法利用聚合物和石墨烯通過共價鍵進行交互連接，形成具有三維網絡結構的石墨烯復合水凝膠，其優點是所制備的三維網絡結構具有優良的機械強度。但是這種方法尚不成熟，還未找到高度有序的自組裝體系。

（三）流延成型法

這是一種用于傳統陶瓷的制備工藝，目前也被用于制備具有三維網絡結構的石墨烯帶。這種方法是先將化學修飾的石墨烯與表面活性劑放入溶液中進行超聲振動混合，然后以聚合物作為粘結劑加入到混合物當中，形成懸浮物；進一步將其涂覆在玻璃基體上，用刮刀控制懸浮物的厚度；蒸發溶液，粘結劑在化學修飾的石墨烯間就形成了三維網絡結構；最后剝離復合物形成復合物帶，熱解復合物帶，即得到具有三維網絡結構的石墨烯帶。

該方法的優點是：制備的石墨烯三維網絡結構具有高比表面積、低密度、高導電率和高拉伸強度等優異性能；并且價格低廉，無毒。存在的缺點是：蒸發速度低，所需粘結劑濃度高，懸浮物對參數變化敏感等。

（四）溶劑熱反應法

該方法是利用氧化石墨烯與酸或金屬化合物在有機溶劑中進行溶劑熱反應，制備出以芳香酯或金屬化合物為支撐物、氧化石墨烯為結構單元的三維網絡結構。該方法制備出來的氧化石墨烯三維網絡結構形狀可依據支撐物的大小和反應溫度可調。該方法的優點是：制備成本低廉和環境友好。存在的缺點是：產率較低，產品純度不夠，并且在產品尺寸和形貌的均一程度上不盡如人意。

發明內容

本發明的目的是提供一種新型的三維網絡結構復合材料，以擴大三維網絡結構材料的應用領域。

本發明的另一目的是提供上述三維網絡結構復合材料的制備方法。

本發明的再一目的是提供上述三維網絡結構復合材料的應用。

為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案：

（一）三維網絡結構復合材料，由石墨烯、導電聚合物和無機半導體納米材料組成。

為了獲得具有良好力學性能和導電性能的三維網絡結構復合材料，上述石墨烯、導電聚合物和無機半導體納米材料的質量比必須為（1~50）：（40~2000）：（10~2000）。