[发明专利]一种碳纳米管-碳气凝胶复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了碳纳米管分散液制备、碳纳米管‑多糖溶胶溶液的制备，碳纳米管‑碳气凝胶的制备及活化处理和高温碳化等步骤。本发明方法操作简单、成本低廉、绿色环保由此方法所得到的碳纳米管‑碳气凝胶复合材料，不但具有碳纳米管的优异性能，还具有形貌可调控的特殊的边缘结构，具有比表面积大、孔隙率高、孔径大小均一、分布均匀等优点，可应用于催化剂载体材料、吸附材料、高性能超级电容器、锂离子电池电极材料领域。

技术领域

本发明属于新型纳米多孔材料-碳气凝胶技术领域，具体涉及一种碳纳米管-碳气凝胶复合材料及其制备方法。

背景技术

碳气凝胶是一种具有孔隙率高、质轻、比表面积大、结构可控及物理化学性质稳定、导电率高等优点的多孔材料，广泛用作催化剂载体、吸附材料及各种电极材料等，被认为是未来十大最具潜力的新材料之一，并成为研究热点。

碳气凝胶制备方法主要分为两个部分：一是制备出湿凝胶，二是通过超临界萃取或者冷冻干燥技术进行干燥将湿凝胶得到干凝胶。该制备方法的优势在于溶剂去除后能保持原有的网络骨架结构。但是于制备方法的限制，碳气凝胶大都以块状或粉末状存在，机械性能差、强度低，这些缺点都限制了单一碳材料的应用前景。因此，如何提高碳气凝胶的机械性能，提高其导电性和强度是非常重要的。

按基体来源来分，碳气凝胶一般分为石墨烯、碳纳米管基碳气凝胶，生物质基碳气凝胶及有机物基碳气凝胶。碳纳米管是一种具有典型层状中空结构，管径在几纳米到几十纳米，长度在几微米到几十微米的一维碳基纳米材料。构成碳纳米管的层与层之间是具有一定夹角的准圆管结构，其管身由六边形碳环微结构单元组成，端帽由含五边形的碳环组成的多边形结构。这种独特的结构赋予了碳纳米管特殊的物理化学性能，如良好的力学性能、导电性能、光学性能和磁学性能等，使其能广泛应用于复合材料的增强增韧、超级电容器和锂离子电池的电极材料、储氢材料以及晶体管材料等领域。碳纳米管具有力学性能优越、导电导热性能好、大比表面积和高弹性模量，并以可以相互交织的网状结构存在于复合材料中。碳纳米管凭借于这些优异的性能使其作为添加剂对基体材料增强和改性具有独特优势。第一类是碳纳米宏观复合材料，即碳纳米材料对于块体材料的增强。针对于这类复合材料，碳纳米材料主要起到增强基体的力学性能或者赋予复合材料以导电或导热等性能。第二类是碳纳米微观聚合物，即碳纳米材料对于纳米尺度的基体材料的增强。针对于这类应用，碳纳米材料主要起到纳米尺度的材料的沉积基底、给纳米聚合物提供力学支撑和(或者)电子传输通道的作用。

因此，将碳纳米管作为一种添加相均匀地植入碳气凝胶材料中是增强碳气凝胶的机械性能、导电性能以及弹性模量的有效途径。这种碳纳米管-碳气凝胶复合材料将在力学、热学、吸附、储能等领域具有非常光明的应用前景。

发明内容

为了克服上述不足，本发明的目的在于提供一种比表面积大、孔隙率高、孔径大小均一、分布均匀基体增强的碳纳米管-碳气凝胶复合材料，碳纳米管-碳气凝胶复合材料将具有优良导电特性的碳纳米管均匀植入碳气凝胶中旨在解决碳气凝胶机械性能差，强度低，导电性差的问题。

本发明的另一目的是提供一种基体增强的碳纳米管-碳气凝胶复合材料的制备方法，该制备方法工艺简单、成本低廉、绿色环保。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种碳纳米管-碳气凝胶复合材料的制备方法，步骤是：

(1)通过溶胶-凝胶法制备碳纳米管凝胶，并将所制备的碳纳米管凝胶通过去离子水过滤、除杂得到一定浓度的稳定分散的碳纳米管分散液；

(2)将多糖纤维素、去离子水混合均匀室温下搅拌至透明溶胶溶液；

(3)将步骤(1)中碳纳米管分散液加入到步骤(2)的溶胶中，搅拌得到混合均匀的碳纳米管-多糖溶胶溶液；

(4)将步骤(3)中的碳纳米管-多糖溶胶溶液静置、冷冻、干燥，得到碳纳米管-多糖冻干凝胶；