[發明專利]一種三維石墨烯/碳納米管復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010043413.3
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111170310B
• 公開（公告）日: 2022-02-25
• 發明（設計）人: 李平;韓坤;曲選輝
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C01B32/16
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明公開了一種三維石墨烯/碳納米管復合材料及其制備方法，屬于功能納米材料領域。所述制備方法為：將九水硝酸鐵和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去離子水中配成混合溶液，完全干燥后研磨成粉末，粉末置于管式爐中先在保護氣氛中熱處理，隨后通入氣體碳源，保溫一定時間；再經高溫石墨化處理，即可得到三維石墨烯/碳納米管復合材料。本發明制備的三維石墨烯/碳納米管復合材料的導電性好，比表面大，活性物質負載量高，電化學性能穩定。而且生產周期短，成本低，可重復性強且可大規模制備，所得材料在儲能、催化等領域具有廣闊應用前景。

技術領域

本發明屬于功能納米材料領域，具體涉及一種三維石墨烯/碳納米管復合材料及其制備方法。

背景技術

石墨烯和碳納米管作為碳材料家族中的兩大明星材料，因其優異的力學、光學、電學、熱學、等性能而成為化學、材料、物理等領域中重要的研究方向。并已被廣泛應用在弧光照明裝置、通信裝置、電器設備、能源存儲與電催化材料等領域。構建碳納米管/三維石墨烯結構的復合材料，充分發揮碳納米管和石墨烯的協同效應，不僅可以利用碳納米管/三維石墨烯高的比表面積而增加電化學活性物質的負載量，還可以充分利用其導電網絡來加快電子、離子的傳導。

然而，在制備三維石墨烯和碳納米管復合材料的過程中，催化劑在三維石墨烯中的分散性往往難以控制，進而造成碳納米管的生長不均勻。盡管現有技術中，常采用三維石墨烯氣凝膠來作為催化劑的載體，但石墨烯氣凝膠的制備過程復雜且金屬離子在氣凝膠中的分散均勻性難以控制。因此，實現催化劑在三維石墨烯中的良好分散以及利用簡單工藝、規模化可控制備出特定形貌和高比表面積的三維石墨烯碳納米管復合材料，對于石墨烯和碳納米管的復合材料發展具有極其重要的理論和實際意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種工藝簡單、成本低、可調控型強、可規模化制備三維石墨烯/碳納米管復合材料的制備方法，以解決現有三維石墨烯/碳納米管復合材料制備方法存在的流程復雜，成本高的問題。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種三維石墨烯/碳納米管復合材料，其特征在于：該復合材料由蜂窩狀三維石墨烯框架和生長在框架上的碳納米管構成。其中碳納米管為多壁碳納米管，管徑尺寸在10～100nm之間；三維石墨烯框架由少數層石墨烯原位組裝而成，且層數為2～8層；石墨烯與碳納米管以共價鍵相連。

如上所述的三維石墨烯/碳納米管復合材料的制備方法，包括如下步驟：

a.將九水硝酸鐵和聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶解在去離子水中配成混合溶液，完全干燥后研磨成粉末；

b.將粉末置于管式爐中在保護氣氛中以3～5℃/min的升溫速率加熱至150～250℃，保溫0.5～1h；然后以4～6℃/min的升溫速率加熱至700～800℃，保溫1～2h；再以3～5℃/min的升溫速率加熱至850～880℃，保溫2～3h；隨后以3～5℃/min的降溫速率降溫至605～645℃，通入氣體碳源，保溫0.5～2h后切斷氣體碳源，待爐子降至室溫，收集產物，為多壁碳納米管包裹的碳化鐵納米顆粒/三維石墨烯復合材料或多壁碳納米管包裹的鐵/碳化鐵納米顆粒/三維石墨烯復合材料。

c.將多壁碳納米管包裹的碳化鐵納米顆粒/三維石墨烯復合材料或多壁碳納米管包裹的鐵/碳化鐵納米顆粒/三維石墨烯復合材料置于高溫石墨化爐中，在氬氣氣氛中以5～8℃/min的升溫速率加熱至2800～3000℃，保溫1～2h；待高溫爐降至室溫，收集產物，即為三維石墨烯/碳納米管復合材料。

進一步地，所述步驟a中九水硝酸鐵和聚乙烯吡咯烷酮質量比為(1.4～1.6)：1。

進一步地，所述步驟a中混合溶液的干燥溫度為85℃。

進一步地，所述步驟b中的氣體碳源為飽和乙醇蒸汽、飽和甲醇蒸汽、乙烯和乙炔氣體中的一種。