[發明專利]一種石墨烯/納米碳顆粒復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310277427.1
• 申請日: 2013-07-03
• 公開（公告）號: CN103346022A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 王要兵;洪茂椿
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: H01G11/36
• 分類號: H01G11/36
• 代理公司: 北京慶峰財智知識產權代理事務所(普通合伙) 11417
• 代理人: 劉元霞

技術領域

本發明涉及石墨烯材料領域，尤其涉及一種石墨烯/納米碳顆粒復合材料的制備方法，以及所述石墨烯/納米碳顆粒復合材料在超級電容器中的應用。

背景技術

自從英國曼徹斯特大學的安德烈·K·海姆(Andre?K.Geim)等在2004年制備出石墨烯材料以來，由于其獨特的結構和光電性質，石墨烯材料受到了廣泛的重視。單層石墨由于其大的比表面積，優良的導電、導熱性能和低的熱膨脹系數而被認為是理想的材料。其具有如下性能：(1)高強度，楊氏模量(1,100GPa)，斷裂強度(125GPa)；(2)高熱導率(5,000W/mK)；(3)高導電性、高載流子傳輸率(200,000cm²/V·s)；(4)高比表面積(理論計算值：2,630m²/g)。尤其是由于其高導電性、大的比表面積及其單分子層的二維納米尺度的結構性質，石墨烯材料可在超級電容器和鋰離子電池中用作電極材料。到目前為止，制備石墨烯的方法有許多種，其中氧化-還原法是一種能夠大量制備石墨烯且產率較高的方法，整個過程涉及到將石墨氧化成氧化石墨，氧化石墨再進一步在外力作用下剝落產生氧化石墨烯，再化學或熱還原為石墨烯。化學還原是一種較為簡單的還原石墨烯的方法，其有利于石墨烯與其它物質的復合。但是，還原后的石墨烯很容易團聚，導致一些功能的喪失，同時也難以加工，不利于產業化。

石墨烯的研究已經成為目前材料的研究熱點，石墨烯也是碳材料的一種，在很多方面與碳材料有相同的性質，但同時它又以二維結構存在，因此具有獨特的性質。石墨烯和納米碳顆粒的應用都特別廣泛。基于以上原因，為了發揮這兩種不同材料的優勢，我們提出了一種新型石墨烯/納米碳顆粒材料的制備方法。

發明內容

基于上述問題，本發明提供了一種負載有碳納米顆粒的石墨烯復合材料的制備方法，包括如下步驟：

1)將石墨氧化以制備氧化石墨烯，將所得氧化石墨烯添加至水中制得懸浮液；

2)將納米碳顆粒添加至表面活性劑的水溶液中以獲得納米碳顆粒的懸浮液；

3)將氧化石墨烯懸浮液與納米碳顆粒懸浮液混合，得到氧化石墨烯/納米碳顆粒的均勻混合懸浮液；

4)將步驟3)中所得的混合懸浮液噴霧干燥，得到粉末；

5)對步驟4)中所得的粉末進行還原處理，還原完畢后，在還原氣氛下冷卻至室溫，清洗并干燥，從而最終制得負載有碳納米顆粒的石墨烯復合材料。

本發明所用的石墨原料可為石墨片如天然鱗片石墨、石墨粉、科琴黑等。

應理解的是，本發明中的“納米碳顆粒”并非特指球狀顆粒，而是指除石墨烯之外具有納米尺寸的其他碳材料。具體而言，本發明所用的納米碳顆粒可為碳60、碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳納米管、碳納米纖維或其組合。所述納米碳顆粒的尺寸為2-100nm，優選為10-80nm，更優選為20-60nm，最優選為20-50nm；在球狀碳顆粒的情況下，所述尺寸是指平均直徑；在片狀碳的情況下，所述尺寸是指平均厚度；在碳納米纖維的情況下，所述尺寸是指纖維的直徑；在其他形狀的情況下，是指該材料表面上任意兩點之間的最長的直線距離。

通過氧化石墨而制備氧化石墨烯的方法為改進的Hummers法，其是本領域技術人員所公知的，例如可參見JACS，1958，80，1339。

用于分散納米碳顆粒的表面活性劑可為任何能均勻分散碳納米粒子與氧化石墨烯，使其混合均勻，并且可在高溫后水洗除去的表面活性劑，包括但不限于陰離子型表面活性劑，陽離子型表面活性劑，兩性離子型表面活性劑，非離子型表面活性劑以及特種表面活性劑，其中陰離子型表面活性劑為：硫酸鹽型、羧酸鹽型、磺酸鹽型以及磷酸鹽型等；其中陽離子型表面活性劑為：季銨鹽型、咪唑鹽型以及吡啶鹽型等；其中兩性離子型表面活性劑為：氨基酸型、甜菜堿型、以及吡唑啉型等；其中非離子型表面活性劑為：聚氧乙烯、烷基酰醇胺、失水山梨醇脂肪酸酯、氧化胺、烷基糖苷等。特種表面活性劑包含氟碳類表面活性劑(如：C₂F₅(OCF₂CF(CF₃))₂OC₂F₄SO₃Na)，含硅的表面活性劑以及Gemini表面活性劑等。表面活性劑的用量通常為0.001-30g/L，優選為0.01-10g/L，最優選為0.1-5g/L。

所述納米碳顆粒的用量為1-50%，優選為1-20%，最優選為5-15%，基于氧化石墨烯的質量。