[發明專利]一種水性碳雜化材料的制備方法

有效

• 申請號: 201910363260.8
• 申請日: 2019-04-30
• 公開（公告）號: CN110128784B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 黃金瑞;李楠;聶小安
• 申請（專利權）人: 中國林業科學研究院林產化學工業研究所
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08K3/04;C08K9/00;C08K9/04
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 唐循文

一種水性碳雜化材料的制備方法，將氧化石墨烯或碳納米管與水超聲處理，制得水溶液；將氧化石墨烯水溶液、碳納米管水溶液混合，并加入分散劑，混合溶液超聲處理制得混合溶液；向混合溶液中加入綠色還原劑，升溫反應結束后，用水洗去多余的分散劑和綠色還原劑，冷凍干燥得到水性碳雜化材料。本發明制備的石墨烯/碳納米管碳雜化材料能在水溶液中穩定分散。本發明的碳雜化材料制備過程全程無溶劑，不產生化學廢棄物，環境友好，成本低廉，可應用于工業生產。本發明制備的石墨烯/碳納米管碳雜化材料所需的還原劑（維生素C）和分散劑（單寧）來源于生物質資源，具有可再生、無毒的特點。

技術領域

本發明涉及碳材料制備，具體涉及一種水性碳雜化材料的制備方法。

背景技術

石墨烯作為備受關注的新興材料，從結構來看石墨烯是具有蜂窩狀晶體結構的巨大的二維片層材料，具有很好的導電、導熱以及機械性能。當有外力作用于石墨烯表面時，石墨烯表面緊密堆積的碳原子可以通過重排來保持結構的穩定性，因此石墨烯的機械性能尤為突出。而碳納米管一維的結構相當于將石墨烯卷起來并用碳原子將兩段封閉，與石墨烯相比，結構上碳原子的柔韌性減弱，因此碳納米管機械性能不如石墨烯，但碳原子的SP²雜化和碳納米管本身巨大的長徑比，使得碳納米管內形成了一個大π離域鍵，載流子及空穴在碳納米管中的傳遞速率都非常快，可達到10 0000 cm²/v·s，因此碳納米管的電學性能優異。可見，碳納米管與石墨烯在結構與性質上互補，若將兩者雜化，可充分發揮二者各自的優勢，例如可以旋轉涂膜法或化學氣相沉積法制備出石墨烯/碳納米管復合薄膜（黃維，付志兵，朱家藝，王朝陽，石墨烯/碳納米管復合薄膜的制備研究進展，材料導報，2016，30(1)，24-30）, 石墨烯和碳納米管之間可以產生一種協同效應,使其各向同性導熱性、各向同性導電性、三維空間微孔網絡等物理化學性能得到增強，因而這種復合薄膜在很多領域有著廣闊的應用前景。

但獲得高性能的碳雜化材料的前提是得到均勻分散的碳雜化材料分散液，眾所周知，石墨烯和碳納米管受碳材料固有疏水性的限制，有巨大的表面能，極易團聚堆積，難以在水溶液中剝離以及穩定分散。為了增加碳材料在水中的溶解性，常見的處理方法是，在碳材料上接入親水性基團以增加碳材料在水中的溶解性，李明霞等公開了一種聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯復合納米纖維材料及其制備方法（李明霞，蔡莊，王鵬，王淑紅，趙弘韜，常金輝，曹曉儉，常青，馬東閣，汪成聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯復合納米纖維材料及其制備方法，專利申請號：201510408773.8），用表面活性劑比如高分子聚合物聚乙烯吡咯烷酮作為分散液去分散石墨烯，該種分散劑可吸附于石墨烯表面，形成覆蓋層，從而防止了石墨烯的自我團聚，有較好的分散效果，但聚乙烯吡咯烷酮難以去除，限制了石墨烯后期的應用；或對碳納米管進行酸化，即接枝羧基，李戎等空開了一種利用酸化方法處理碳納米管制備碳納米管纖維的方法（李戎，吳興樂，朱惠惠，菅應凱一種利用酸化方法處理碳納米管制備碳納米管纖維的方法，專利申請號：201610292027.1），但這種方法往往會破壞碳材料的結構，過多的處理也會使碳納米管的長徑比下降，進而導致導電性能的減弱，同時會產生大量化學廢棄物，處理成本高、污染環境、難以在工業上推廣。因此開發一種綠色環保的方法制備水性雜化碳材料非常有意義。

該發明首先借助碳材料之間結構相似且存在靜電作用，π-π吸附等相互作用的特點，利用能在水中剝離并穩定分散的氧化石墨烯吸附碳納米管，同時加入有著苯環結構及親水性的綠色穩定劑單寧，經超聲處理得到氧化石墨烯/碳納米管/單寧的穩定分散液；再添加維生素C作為還原劑，將碳雜化材料中的氧化石墨烯還原成石墨烯，且還原后碳雜化材料在水溶液中仍能保持穩定分散；最后用大量超純水洗去多余的單寧和維生素C，冷凍干燥后便得到能在水、乙醇等極性溶劑中穩定均勻分散的石墨烯與碳納米管的碳雜化材料。制備過程不涉及有機相，反應簡單，符合綠色化學的要求，且未破壞碳材料的結構，確保了石墨烯和碳納米管雜化材料優異性能的發揮。

發明內容