[發(fā)明專(zhuān)利]一種三維多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410181546.1
• 申請(qǐng)日: 2014-05-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104003374A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廉培超;王婧毅;羅康碧;王瑩瑩;王霄鶴
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C01B31/04
• 分類(lèi)號(hào): C01B31/04;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種三維多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法，屬于納米復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

二維結(jié)構(gòu)的石墨烯具有高熱導(dǎo)性、高機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性能，石墨烯基納米復(fù)合材料在鋰離子電池、超級(jí)電容器、催化等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。石墨烯單獨(dú)存在時(shí)易堆疊成石墨，納米顆粒單獨(dú)存在時(shí)傾向于團(tuán)聚成大顆粒，通過(guò)將石墨烯與納米顆粒復(fù)合制備石墨烯基納米復(fù)合材料可以減輕石墨烯間的團(tuán)聚及納米顆粒間的團(tuán)聚。盡管石墨烯基納米復(fù)合材料中的石墨烯能一定程度上減輕納米顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，但納米顆粒未被固定在石墨烯上，同一片石墨烯上的納米顆粒仍會(huì)團(tuán)聚成大顆粒。

目前，人們?cè)噲D通過(guò)碳包覆石墨烯基納米復(fù)合材料來(lái)解決這一問(wèn)題。具體做法是首先制備石墨烯基納米復(fù)合材料，然后通過(guò)化學(xué)氣相沉積或水熱碳包覆得到碳包覆的石墨烯基納米復(fù)合材料。由于目前報(bào)道的制備方法均以石墨烯基納米復(fù)合材料為原料，而石墨烯基納米復(fù)合材料本身就存在同一片石墨烯上納米顆粒團(tuán)聚問(wèn)題，因此以石墨烯基納米復(fù)合材料為原料制備碳包覆的石墨烯基納米復(fù)合材料不能從根本上解決納米顆粒團(tuán)聚問(wèn)題，得到的碳包覆石墨烯基納米復(fù)合材料仍存在納米顆粒在碳基質(zhì)中分布不均勻問(wèn)題。此外，碳包覆過(guò)程碳不僅包覆在納米顆粒上，也會(huì)沉積在石墨烯上，會(huì)一定程度上影響石墨烯組分的物理化學(xué)性能，進(jìn)而影響復(fù)合材料的性能。更為重要的是，碳包覆的石墨烯基納米復(fù)合材料中石墨烯未直接相連，未充分利用石墨烯高導(dǎo)電性的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有制備方法的上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種三維多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法。該制備方法可以避免納米顆粒團(tuán)聚問(wèn)題，制備的復(fù)合材料不僅具有多孔結(jié)構(gòu)，還具有由石墨烯和碳?xì)?gòu)筑成的三維碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在鋰離子電池、超級(jí)電容器及催化領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的三維多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）將納米顆粒超聲分散到單糖、二糖或多糖的水溶液中，得到分散液；

（2）將步驟（1）得到分散液在100～200℃下水熱反應(yīng)3～12?h，冷卻、經(jīng)過(guò)離心分離、洗滌得到碳前驅(qū)體包覆的納米氧化物；

（3）將碳前驅(qū)體包覆的納米氧化物超聲分散至濃度為1～5mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，得到分散液；

（4）將步驟（3）中得到的分散液在100～200℃下水熱反應(yīng)3～12?h，經(jīng)冷凍干燥后即得到三維多孔石墨烯基納米復(fù)合材料前驅(qū)體；

（5）將三維多孔石墨烯基納米復(fù)合材料前驅(qū)體在惰性氣氛或還原性氣氛下在溫度350～900℃熱處理2～12小時(shí)，得到三維多孔石墨烯基納米復(fù)合材料。

所述納米顆粒包括納米氧化物和納米金屬顆粒，例如SnO₂、SiO₂、TiO₂、Pt、Au。

所述納米顆粒與單糖、二糖或多糖的質(zhì)量比為1：1～10，單糖、二糖或多糖的水溶液的濃度為0.1～0.5mol/L。

所述步驟（1）中超聲分散時(shí)間為1～10?h，步驟（3）中超聲分散時(shí)間為1～10?h。

所述步驟（4）中是將碳前驅(qū)體包覆的納米顆粒與氧化石墨烯水熱自組裝得到三維多孔石墨烯基納米復(fù)合材料前驅(qū)體，然后通過(guò)冷凍干燥去除水分并保持其結(jié)構(gòu)形貌，?冷凍干燥時(shí)間為12～48?h，干燥溫度為?45～?25℃。

所述三維多孔石墨烯基納米復(fù)合材料碳含量為10～60?wt%。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）本發(fā)明方法可以避免制備過(guò)程納米顆粒團(tuán)聚，得到的復(fù)合材料納米顆粒在碳基質(zhì)中分布均勻；

（2）本發(fā)明方法制備的納米復(fù)合材料具有多孔結(jié)構(gòu)，且石墨烯與碳?xì)す餐瑯?gòu)筑成了三維碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因而該材料具有廣泛的應(yīng)用前景，可用于鋰離子電池、超級(jí)電容器、催化等領(lǐng)域；

（3）本發(fā)明方法通過(guò)碳?xì)⒓{米顆粒固定在石墨烯上，碳?xì)ず褪┕餐瑯?gòu)筑成三維多孔結(jié)構(gòu)，可通過(guò)改變糖溶液濃度及氧化石墨烯濃度調(diào)節(jié)復(fù)合材料孔徑大小及分布，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施方式一中SnO₂@C/石墨烯納米復(fù)合材料的X射線衍射圖譜；

圖2是本發(fā)明實(shí)施方式二中Sn@C/石墨烯納米復(fù)合材料的X射線衍射圖譜；

圖3是本發(fā)明實(shí)施方式一中SnO₂@C/石墨烯納米復(fù)合材料的透射電鏡圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施方式一中SnO₂@C/石墨烯納米復(fù)合材料的透射電鏡圖