[發(fā)明專利]一種石墨烯/富勒烯復合納米材料的制備方法及其應用

有效

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• 申請日: 2016-05-25
• 公開（公告）號: CN105870419B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發(fā)明（設計）人: 李澤勝;李泊林;劉志森;張玲;李德豪
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東石油化工學院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/133;H01M4/1393;H01M10/0525
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 單香杰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯基復合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種石墨烯/富勒烯復合納米材料的制備方法及其應用。

背景技術(shù)

富勒烯和石墨烯憑借各自優(yōu)異的物理化學特性吸引了眾多研究人員的注意，人們希望富勒烯和石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性質(zhì)能給電化學能源材料及微納電子器件帶來突破性的進展。當前，有關(guān)富勒烯和石墨烯的研究和開發(fā)已經(jīng)成為了一個國際熱點。富勒烯和石墨烯都是納米尺寸的碳材料，具有極大的比表面積、良好的導電性以及優(yōu)異的化學特性。但是富勒烯的溶解性和分散性較差，難以制成器件，因而其實際應用被大大限制。選擇合適的方法制備出“石墨烯/富勒烯”復合納米材料，它們之間可以產(chǎn)生一種協(xié)同效應，使其各種物理化學性能得到增強，因而這種復合材料在很多領(lǐng)域有著極大的應用前景。

首先，通過二維石墨烯的支撐作用可以有效解決富勒烯分散性較差這一問題；同時，復合納米材料的特殊界面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應等，使其具有獨特的光、電、磁、熱等物理化學性質(zhì)。因而，“石墨烯/富勒烯”復合納米材料在電化學催化及儲能、生物傳感、電子器件等領(lǐng)域?qū)@得極為廣泛的應用。

鑒于“石墨烯/富勒烯”復合納米材料優(yōu)異的性能和廣闊的應用前景，探索合成“石墨烯/富勒烯”復合納米材料的高效制備方法，控制富勒烯在石墨烯表面的生長和分布，具有重要的科學意義和實用價值。當前，“石墨烯/富勒烯”復合納米材料的制備過程通常包括三步：（1）以化學氧化或金屬催化的方法先制備出石墨烯納米片；（2）通過電弧放電法、激光蒸發(fā)法、火焰燃燒法等技術(shù)制備出富勒烯納米顆粒；（3）通過溶液分散和化學耦合方法在石墨烯納米片上負載富勒烯形成復合結(jié)構(gòu)。顯然，上述多步制備過程操作繁瑣且耗能較高，很難實現(xiàn)“石墨烯/富勒烯”復合納米材料的大批量生產(chǎn)。特別是，富勒烯傳統(tǒng)制備方法（電弧放電法、激光蒸發(fā)法、火焰燃燒法等）所用設備結(jié)構(gòu)復雜且價格昂貴，對后續(xù)復合材料的開發(fā)帶來了極大的難題。鑒于此，開發(fā)一種廉價、簡單的制備方法對推動“石墨烯/富勒烯”復合納米材料的產(chǎn)業(yè)化將起到至關(guān)重要的作用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的石墨烯/富勒烯復合納米材料制備過程繁瑣、成本高、能耗大的技術(shù)問題，提供一種新的石墨烯/富勒烯復合納米材料的制備方法。

本發(fā)明的第二個目的是提供上述方法得到的石墨烯/富勒烯復合納米材料。

本發(fā)明的第三個目的是提供上述石墨烯/富勒烯復合納米材料的應用。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：

一種石墨烯/富勒烯復合納米材料的制備方法，是以含硫樹脂作為固相碳源和硫源，以過渡金屬醋酸鹽作為催化劑前驅(qū)體，所述含硫樹脂靠近加熱爐的入氣端，過渡金屬醋酸鹽靠近加熱爐的出氣端，在惰性氣體保護下進行熱處理，收集熱處理產(chǎn)物，經(jīng)酸處理、洗滌、過濾、干燥即得石墨烯/富勒烯復合納米材料；所述熱處理的溫度為600～900℃，加熱時間為10 min～60min，升溫速度為5～20℃/min。

本發(fā)明采用多功能“含硫樹脂”作為固相碳源及硫源，在熱處理過程中釋放出的含碳及含硫氣氛可以作為氣相沉積的碳源及硫源。該過程屬于自供給氣氛的類化學氣相沉積技術(shù)，從根本上降低了材料的制備成本。另外，含硫樹脂靠近加熱爐的入氣端，含硫樹脂氣化后成為含碳和含硫氣氛，采用過渡金屬醋酸鹽作為催化劑前驅(qū)體，在熱處理過程中醋酸鹽首先還原為納米金屬鎳進而催化含碳氣氛得到富勒烯；金屬鎳進一步與含硫氣氛反應生成金屬硫化物繼續(xù)催化含碳氣氛得到石墨烯。

優(yōu)選地，所述含硫樹脂和過渡金屬醋酸鹽的質(zhì)量比為1：0.1～0.5。

優(yōu)選地，所述酸處理是指熱處理產(chǎn)物用1～5mol/L的鹽酸浸泡1～3h。

優(yōu)選地，在進行熱處理之前，所述含硫樹脂經(jīng)烘干粉碎處理，粉碎后粒徑為50μm～100μm。

優(yōu)選地，在進行熱處理之前，所述過渡金屬醋酸鹽鹽經(jīng)球磨處理，球磨后粒徑為1μm～5μm。

優(yōu)選地，所述過渡金屬醋酸鹽選自醋酸鎳、醋酸鈷、醋酸錳中的一種或兩種以上。

優(yōu)選地，所述含硫樹脂選自硫脲樹脂、巰基樹脂、磺酸基樹脂中的一種或兩種以上。

作為一種具體的實施方式，本發(fā)明上述制備方法包括以下步驟：

（1）固相碳源/硫源的選擇和前處理：選擇含硫樹脂為固相碳源及硫源，烘干粉碎處理，粉碎后粒徑為50μm～100μm；