[发明专利]石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种纳米碳复合材料，特别是涉及一种石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法。

【背景技术】

英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等在2004年制备出石墨烯材料，由于其独特的结构和光电性质受到了人们广泛的重视。单层石墨由于其大的比表面积，优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数而被认为是理想的材料。如：1，高强度，杨氏摩尔量，(1,100GPa)，断裂强度：(125GPa)；2，高热导率，(5,000W/mK)；3，高导电性、载流子传输率，(200,000cm²/V*s)；4，高的比表面积，(理论计算值：2,630m²/g)。尤其是其高导电性质，大的比表面性质和其单分子层二维的纳米尺度的结构性质，可在超级电容器和锂离子电池中用作电极材料。

碳纳米管是在1991年从电弧法生产的碳纤维中发现的(S.Iijima，Nature354，56(1991)。它是一种管状碳分子，管上每个碳原子采取sp²杂化，相互之间以碳-碳键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架；碳纳米管的长径比一般在1000∶1以上，强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7；硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，是理想的高强度纤维材料，因而被称“超级纤维”。

在纳米碳复合结构体方面，大多研究集中在金属颗粒、有机分子与碳纳米管或石墨烯的结合方面。相当于一维、零维碳材料的掺杂研究。碳类材料之间形成的复合体，主要集中在生长碳纳米管过程中，同时产生的其他碳同素异形体。研究较广泛的有1998年发现的零维与一维的复合结构体——纳米豆荚(Smith，g.W.et al.Nature 396，323(1998))。直到2008年3月，富士通研究所在第34届富勒烯纳米管综合研讨会上，发表了其在自组织形成接合碳纳米管与石墨烯的新型纳米碳复合结构体方面获得的成功。富士通研究所利用化学气相沉积成长法，在510℃的温度下，在相对于底板呈垂直方向整齐生成的多壁碳纳米管上，形成了由几层到几十层的石墨自组织形成的复合结构体。这是首次实现一维结构的碳纳米管与二维结构的石墨烯垂直接合的非原子结构的接合结构体。

然而，传统制备石墨烯-碳纳米管复合材料的方法工艺复杂、成本较高且还原石墨烯使用水合肼等有毒害试剂。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种工艺简单，成本较低的石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法。

一种石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将氧化石墨和经酸处理过的碳纳米管加入水中，超声震荡，搅拌，得到均匀分散的混合溶液；

步骤二、将所述混合溶液过滤，将固体物干燥，然后在惰性气体的环境下，以10℃/分的速度升温至1000～1200℃，保温10～30分钟，冷却至室温，得到石墨烯-碳纳米管复合材料。

在优选的实施例中，所述氧化石墨和经酸处理过的碳纳米管的质量比为1∶1～2∶1。

在优选的实施例中，步骤二之后还包括对所述石墨烯-碳纳米管复合材料进一步纯化的步骤：

在氢气气氛下，将所述石墨烯-碳纳米管复合材料加热至1000～1200℃，保温30～60分钟，冷却至室温，得到纯化的石墨烯-碳纳米管复合材料。

在优选的实施例中，步骤一中超声震荡的时间为20～40分钟，搅拌的时间为30～60分钟。

在优选的实施例中，步骤二中干燥的温度为50～60℃，干燥时间为5～10小时。

在优选的实施例中，步骤一中所述氧化石墨通过如下方法制备：将石墨、过硫酸钾和五氧化二磷按照质量比2～10∶1∶1加入到80～120℃的浓硫酸中，搅拌均匀后自然冷却，洗涤至中性后干燥，得到预氧化石墨；

将所述预氧化石墨缓慢加入到浓硫酸中，保持混合溶液的温度在20℃以下缓慢加入高锰酸钾，，然后在25～35℃下油浴1～3小时，加入去离子水，控制温度在98℃以下，维持15分钟，然后加入去离子水和双氧水溶液，抽滤、收集固体；及

所述固体用稀盐酸洗涤，干燥，得到所述氧化石墨。

在优选的实施例中，所述经酸处理过的碳纳米管通过如下方法制备：

将碳纳米管加入到浓硫酸和浓硝酸组成的混合酸液中，超声分散30分钟～1小时，在70～90℃下反应1～3小时；

用蒸馏水稀释溶液，去除上层清液，清洗，抽滤，取固体水洗至中性，干燥，得到所述经酸处理过的碳纳米管。