[发明专利]一种碳纳米管‑石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳材料制备技术领域，尤其涉及一种碳纳米管-石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纳米管(CNT)和石墨烯(Graphene)分别在1991年和2004年被人们所发现，而且从它们被发现的那天起就一直备受瞩目。碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，它的径向尺寸可达到纳米级，轴向尺寸为微米级，管的两端一般都封口，因此它有很大的强度，同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维碳材料，零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯共同组成了骨干的碳纳米材料家族，并且它们之间可以在形式上转化。

石墨烯和碳纳米管在电学和力学等方面有着相似的性质，但由于结构不同，它们也有很多不同之处。碳纳米管和石墨烯分别是优良的一维和二维碳材料，它们分别体现出了一维的和二维的各向异性，如导电性、力学性能和导热性等，为了结合两者的优点，人们将石墨烯和碳纳米管共同用于复合材料。石墨烯和碳纳米管复合材料形成三维网状结构，通过它们之间的协同效应，使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能，例如更好的各向同性导热性、各向同性导电性、三维空间微孔网络等特性。基于以上性质，使得石墨烯/碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面有着良好的应用前景。碳纳米管-石墨烯复合材料越来越多的被人们所应用，使得石墨烯/碳纳米管复合材料的制备和应用得到更加广泛的关注。

目前制备石墨烯/碳纳米管复合物的方法主要有两种：一种是混合法，也就是将石墨烯与碳纳米管样品直接混合，例如；另外一种是直接生长法，通过化学气相沉积过程同时生长石墨烯和碳纳米管。混合法制备中，碳纳米管和石墨烯的分散非常关键，要得到混合均匀的碳纳米管-石墨烯复合物比较困难。而在直接生长法中，碳纳米管和石墨烯的比例不容易控制，而且石墨烯和碳纳米管的形貌特征无法分别控制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种碳纳米管-石墨烯复合材料及其制备方法。通过两次化学气相沉积过程，实现分别对碳纳米管和石墨烯的结构和掺氮进行控制。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于制备碳纳米管-石墨烯复合材料的催化剂，其是由以下步骤制备得到的：

(1)通过化学气相沉积法制备石墨烯/模板剂复合物；

(2)将所述复合物分散在去离子水中，加入硝酸铁和钼酸铵的混合溶液，搅拌，滴加氨水得到混合溶液，所述硝酸铁与钼酸铵的摩尔比为1:(0.01-10)，所述氨水的质量百分比浓度为25％-30％；优选地，Fe与Mo的摩尔比为1:(0.01-10)；

将所述混合溶液抽滤、烘干，然后在300℃-700℃(优选350℃)下煅烧，得到用于制备碳纳米管-石墨烯复合材料的催化剂。

在上述催化剂中，优选地，步骤(1)所述模板剂为粉体，所述模板剂包括氧化铝、氧化镁、氧化锌、氧化钙和氧化硅中的一种或多种的混合物。

在上述催化剂中，优选地，步骤(1)所述化学气相沉积的过程中：引入氨气得到掺氮石墨烯/模板剂复合物；不引入氨气得到不掺氮石墨烯/模板剂复合物。

在上述催化剂中，优选地，所述催化剂中含有Fe和Mo，所述Fe和Mo在催化剂中的质量百分比为0.1％-70％，Fe与Mo的摩尔比为1:(0.01-10)。

本发明还提供一种碳纳米管-石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用上述催化剂，通过化学气相沉积生长碳纳米管；

(2)在氮气或氩气气氛下冷却到室温后得到粉体产品；

(3)将所述粉体产品加入稀盐酸中，搅拌，得到混合溶液；

(4)将所述混合溶液抽滤、烘干，得到碳纳米管-石墨烯复合材料。

在上述复合材料的制备方法中，优选地，所述稀盐酸是37.5％的浓稀盐酸与水按照1：(1-5)的质量比混合得到的。

在上述复合材料的制备方法中，优选地，步骤(1)所述化学气相沉积的过程中如果引入氨气得到掺氮碳纳米管，所述氨气的体积百分比浓度为1％-10％；如果不引入氨气得到不掺氮碳纳米管。