[發(fā)明專利]石墨烯/碳納米管復合體系的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310175970.0
• 申請日: 2013-05-13
• 公開（公告）號: CN103241721A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發(fā)明（設計）人: 劉立偉;郭玉芬;高嵩;李偉偉;魏相飛;陳明亮;徐建寶;廖書田;朱超
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: C01B31/00
• 分類號: C01B31/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京華夏博通專利事務所(普通合伙) 11264
• 代理人: 王鋒

技術領域

本發(fā)明涉及一種碳納米材料復合體系的制備方法，特別涉及一種石墨烯/碳納米管復合體系的制備方法，屬于納米新材料領域。?

背景技術

石墨烯是新興的納米碳材料，自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，引起了科學界和工業(yè)界的廣泛關注。他具有獨特的二維晶體結構和極高的電荷遷移速率，同時它還具有比表面積大、化學性質穩(wěn)定、高透光性、高機械強度等優(yōu)點，被認為是最有應用前景的材料之一。碳納米管也是一種新型的具有納米尺度的一維碳材料，擁有完整的分子結構，有著和石墨烯相似的很多優(yōu)越的電學和機械性能。將前述兩種材料復合起來會產生很多的優(yōu)勢，如：碳納米管可以改善石墨烯連接之間的電子輸運，石墨烯增加了碳管的導電通路，使導電性大幅提高；碳納米管形成網(wǎng)絡結構，可以增大復合體系透光性；碳管可以填充石墨烯的空隙，增大材料密度和空間占有率，利于提高鋰電池的體積容量；碳納米管可以提高復合材料的容量，石墨烯改善循環(huán)穩(wěn)定性；合理調配石墨烯和碳納米管之間的比例，可以直接調節(jié)復合體系的性能。例如，2003年Weber等（J?Appl?Polym?Sci.,2003,88,112.）提出將碳纖維和石墨復合起來提高材料整體的熱導率，2008年Mo?Song等（Adv.Mater.2008,20,1706）將碳納米管和還原的氧化石墨烯復合制備透明導電膜提高材料的透明導電特性。?

近年來將石墨烯和碳納米管復合的方法和應用的文章和報道很多，其主要方法包括直接超聲分散復合，以及利用化學氣相沉積（CVD）在石墨烯薄膜基底上生長碳納米管。但是其均存在一定的缺陷，比如：采用氧化還原石墨烯（rGO）與碳管復合，由于rGO本身結構受到破壞，導電性差，不利于整個體系的導電性；而采用超聲分散的，對比例的控制無法精確，且二者復合不會非常緊密；?又及，采用CVD法生長，無法得到混合體系的粉末，產量低且成本高昂，對推廣這種材料的應用有很大的限制。?

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯/碳納米管復合體系的新型制備方法，其能實現(xiàn)石墨烯/碳納米管復合體系的低成本、快速、大量制備，從而克服現(xiàn)有技術中的不足。?

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術方案：?

一種石墨烯/碳納米管復合體系的制備方法，包括：取主要由石墨粉末與催化劑前驅體形成的石墨烯催化劑復合體系（主要為石墨插層物）置于適合生長碳納米管的環(huán)境中，直至制得目標產物；所述催化劑前驅體包括能夠在高溫封閉環(huán)境中插入石墨層中形成石墨插層物，并且能夠在適合生長碳納米管的環(huán)境中分解生成用以促進碳納米管生長的催化劑的材料。?

作為其中較為優(yōu)選的實施方案之一，該方法包括：將石墨粉末與催化劑前驅體混合后置于高溫封閉環(huán)境中，獲得石墨插層物。?

所述催化劑前驅體可選用但不限于金屬化合物，所述金屬化合物可選用但不限于氯化鎳、氯化鈷、氯化鐵、氯化銅、氯化錳、氯化鋁等。?

作為其中較為優(yōu)選的實施方案之一，所述石墨插層物的制備工藝包括：將石墨粉末與催化劑前驅體混合后置于密閉的鈦釜或者金釜中，控制溫度為200-800℃，反應時間在5h以上，獲得石墨插層物。?

在所述石墨插層物的制備工藝中，反應時間控制在5-72h。?

作為其中較為優(yōu)選的實施方案之一，所述適合生長碳納米管的環(huán)境包括：在碳納米管的生長氣氛中反應，控制反應溫度在500-1500℃，生長時間在1分鐘以上。?

作為其中較為優(yōu)選的具體應用方案之一，所述碳納米管的生長氣氛包括：0-1000sccm碳源氣體，10-1000sccm氫氣，0-1000sccm惰性氣體，且控制生長壓力為1-800torr。?

所述碳源包括液相或者氣相碳源，所述液相碳源包括甲醇、乙醇、丙醇或芳香烴，所述氣相碳源包括甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、丙烷、一氧化碳或二氧化碳。?

所述石墨粉末的來源可選自但不限于普通天然石墨、鱗片石墨、粉狀石墨或高定向裂解石墨。?

所述石墨插層物的階數(shù)為1-20階。?

本發(fā)明利用催化劑前驅體均勻的插入石墨片層之中，從而獲得均勻擔載催化劑的復合體系粉體，亦可認為是石墨插層物，利用化學氣相沉積的方法，同步實現(xiàn)碳納米管的生長和石墨片層的撐開，從而獲得復合體系粉末。?

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點至少在于：制備過程中石墨烯和碳納米管一步合成，沒有引入任何含氧官能團，低缺陷，成本低，產量高，適合大規(guī)模生產。?

附圖說明

圖1為本發(fā)明的石墨烯/碳納米管復合體系的制備方法的工藝流程圖；?