[發明專利]石墨烯/碳納米管納米疊層復合薄膜及其制備方法

在審

• 申請號: 201710265193.7
• 申請日: 2017-04-21
• 公開（公告）號: CN106995214A
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發明（設計）人: 王建鋒;謝丹
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C01B32/194
• 分類號: C01B32/194;C01B32/168
• 代理公司: 北京冠和權律師事務所11399
• 代理人: 李建華

技術領域

本發明涉及納米材料科學與技術領域，特別涉及石墨烯和碳納米管復合材料領域。

背景技術

碳納米管和石墨烯具有典型的一維和二維碳納米結構，自問世以來引起了廣泛的關注。1991年，碳納米管被日本NEC公司基礎研究實驗室的電子顯微鏡專家Iijima博士意外發現。碳納米管是一種具有特殊結構(徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級甚至毫米量級)的一維管狀納米材料，主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管，層與層之間保持固定的距離，約0.34納米，直徑一般為2-50納米。碳納米管在軸向方向具有高力學強度、高導電性、高導熱性和優異的電化學性能。石墨烯于2004年被英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫首次成功制備。石墨烯是一種二維晶體，它是由碳原子按六邊形晶格結構整齊排布而成的碳單質，結構穩定，在平面方向具有高力學強度、高導電性、高熱導性和優異的電化學性能。

石墨烯/碳納米管復合材料引起了廣泛的研究興趣，集成石墨烯和碳納米管的幾何優勢，產生協同效應，表現出比任意一種單一材料更加優異的力學強度、導熱性、導電性和電化學儲能性能，在復合材料增強、散熱、電磁屏蔽、超級電容器、儲能電池等方面有著良好的應用前景。目前已報到的石墨烯/碳納米管復合材料主要分為三類，第一類是以石墨烯粉末或者碳納米管粉末為原材料，將二者一起分散在某種溶劑中，然后通過旋涂、噴涂、抽濾、電沉積等方法成膜，所得到的石墨烯/碳納米管復合材料具有以下缺點：1)石墨烯和碳納米管分散不均勻，2)石墨烯和碳納米管無規分布，沒有取向結構。第二類是以石墨烯粉末或者碳納米管粉末為原材料，通過表面化學修飾使得石墨烯和碳納米管表面帶上相反電荷，并分散在水中，通過靜電驅動層層自組裝的方法成膜，所得到的石墨烯/碳納米管復合材料具有以下缺點：表面化學修飾嚴重破壞了石墨烯和碳納米管的結構，降低復合薄膜的各項性能。第三類方法是原位化學氣相沉積法，在基底上先后生長石墨烯和碳納米管，形成石墨烯/碳納米管復合薄膜，如清華大學和鴻富錦精密工業(深圳)有限公司的專利CN105174204A、CN103359717A、CN102796991A、CN102794945A和CN102724620A均是利用了化學氣相沉積法在基底上先后生長石墨烯和碳納米管，但是所得的石墨烯/碳納米管復合薄膜具有以下缺點：1)碳納米管垂直于膜平面方向分布，難以沿著膜平面方向分布，2)該技術復雜，成本高，難以工業化。

發明內容

針對上述技術問題，本發明的目的在于提供一種石墨烯/碳納米管納米疊層復合薄膜，所述的石墨烯/碳納米管納米疊層復合薄膜包含在水表面形成的石墨烯超薄膜和從碳納米管陣列拉出的高取向碳納米管超薄膜，石墨烯超薄膜在石墨烯/碳納米管納米疊層復合薄膜中的重量分數為小于100％，石墨烯超薄膜和碳納米管超薄膜形成納米級疊層結構。

本發明的另一目的在于提出一種制備石墨烯/碳納米管納米疊層復合薄膜的方法，步驟包括：

1)從碳納米管陣列拉出碳納米管超薄膜，將y層碳納米管超薄膜堆疊形成碳納米管層CNT_y；

2)將石墨烯分散液注射到水表面形成一層石墨烯超薄膜；

3)將步驟1的y層碳納米管超薄膜導入水中并導出，使得步驟2中水表面的石墨烯超薄膜轉移覆蓋到碳納米管膜表面，重復x次，以轉移x層石墨烯超薄膜至y層碳納米管超薄膜上，形成一個石墨烯/碳納米管雙層(G_x/CNT_y)₁；

4)在石墨烯/碳納米管雙層(G_x/CNT_y)₁上覆蓋碳納米管層CNT_y，接著轉移x次石墨烯超薄膜，形成兩個石墨烯/碳納米管雙層(G_x/CNT_y)₂，依次類推，循環往復n次，得到石墨烯/碳納米管納米疊層復合薄膜(G_x/CNT_y)_n。

進一步還可以包含步驟5)將上述石墨烯/碳納米管納米疊層復合薄膜(G_x/CNT_y)_n在惰性氣體下熱處理，得到石墨烯/碳納米管納米疊層復合薄膜。