[发明专利]一种高纯石墨烯碳纳米管复合粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米结构的制作方法，特别是一种石墨烯碳纳米管复合粉体的制作方法。

背景技术

在石墨烯的制备方法中，主要有以下几种常规方法：氧化还原法、液相机械剥离法、化学气相沉积法等。另有文献报道使用超强酸氯磺酸和过氧化氢复合体系即可剥离制备石墨烯，整个反应呈现为爆炸式，氯磺酸遇水发生剧烈反应，产生的气爆迅速的剥离石墨形成石墨烯。但该方法制备石墨烯的同时产生大量的强酸性有毒气体，如HCl、SO2等，一般的做法是将这些酸气通过碱性回收液吸收中和，一方面消耗了碱液，另一方面造成了酸气的浪费。

碳纳米管的制备工艺为碳源气体在高温条件下分解，然后溶解到金属氧化物催化剂颗粒（如Fe、Co、Ni）中，当达到一定溶解度后而饱和，最后在催化剂表面析出，逐步生长成为碳纳米管，即通过化学气相沉积的方法进行生长。由于金属氧化物催化剂的存在造成碳纳米管的纯度较低，一般可达到96%以上，其余为无定型碳和金属催化剂。作为磁性物质的金属催化剂，在锂电池中使用时会造成锂电池的自放电现象，从而影响锂电池的安全性和使用寿命。目前，碳纳米管是一种性能良好的锂电池正负极导电添加剂，能在锂电池正负极材料表面形成良好的导电网络结构，有效提升材料的导电性，从而提升锂电池的倍率循环性能。但磁性物质的存在影响了碳纳米管的使用，常规的去除碳纳米管中磁性物质的方法是对碳纳米管进行酸化处理，通常使用强酸，如HCl、H2SO4、HNO3等并附以加热的方法。

目前，二维片层结构的石墨烯以其超高的电导率（载流子迁移率高达200,000cm2/vs）用于锂电池正负极材料中更能提升材料的导电性。将一维结构的碳纳米管与二维结构的石墨烯结合用于锂电池正负极材料导电添加剂可与正负极材料形成更完美的三维导电网络结构，充分发挥石墨烯及碳纳米管的各自作为导电剂优势，有效提升材料中的锂离子传输，进而改善电池的倍率循环性能，同时由于石墨烯的高导热系数，亦能对电池进行有效散热，从而改善电池温升，提升电池安全性和使用寿命。

如何采取简单有效的方式实现高质量石墨烯的制备的同时并去除碳纳米管粉体的金属杂质是比较现实的问题，本发明通过采用一步法制备出了高质量的石墨烯，并实现对碳纳米管的纯化，以及石墨烯和碳纳米管的复合分散，解决了分步制备石墨烯及分步纯化碳纳米管，然后复合分散这一系列流程，同时避免了酸液浪费和热量流失等造成的损失问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种高纯石墨烯碳纳米管复合粉体的制备方法，可制成高纯度的石墨烯碳纳米管复合粉体。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高纯石墨烯碳纳米管复合粉体的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将石墨粉与碳纳米管进行固相混合，然后按石墨：氯磺酸1:25—1:300的质量比制得氯磺酸液；

步骤2：向压力反应釜中注入一定量的氯磺酸液，开启反应釜搅拌，使石墨粉及碳纳米管与氯磺酸液混合均匀并得到充分浸润，然后向混合物中滴加H₂O₂溶液；

步骤3：H₂O₂与氯磺酸发生反应瞬间产生大量气体以楔子形式插入到石墨层间，随着气体量的增加形成爆破点将石墨迅速的剥离而制备成石墨烯；

步骤4：释放出的气体则迅速释放出，经过回流冷凝器产生的酸气被再次输送回到反应釜装置中。

作为优选的，所述石墨粉为100目~500目鳞片石墨。

作为优选的，所述石墨粉为为100目~200目鳞片石墨。

作为优选的，所述鳞片石墨纯度为99.5%~99.99%。

作为优选的，所述碳纳米管的管径在5nm~100nm之间。

作为优选的，所述碳纳米管的管径在8nm~50nm之间。

作为优选的，碳纳米管的纯度在96%~97.5%。

作为优选的，所述H2O2溶液的浓度为5%~40%。

作为优选的，所述H2O2溶液的浓度为20%~25%。

作为优选的，所述石墨与氯磺酸的质量比为1:100~1:200。