CN103192072B - 薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料、其制备方法及应用。该复合结构材料包括薄层石墨烯搭桥并包覆的金属粉体，其制备工艺包括：取过渡金属粉体或还原的过渡金属粉体与薄层石墨烯混合，再通过化学气相沉积在过渡金属粉体表面生长包覆薄层石墨烯，获得薄层石墨烯搭桥并包覆的金属粉体；或者通过化学气相沉积在过渡金属粉体表面生长薄层石墨烯，而后再与薄层石墨烯复合获得目标产物。本发明工艺简单，能增强金属粉体的抗氧化性和防腐蚀性，并使其兼具良好导热、抗静电、电磁屏蔽性能及延长其使用寿命，同时降低成本，在抗静电、热管理、导热散热、电磁屏蔽、催化剂、烧结活化剂、导电浆料、电池、硬质合金等方面具有广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料、其制备方法及应用，属于材料科学领域。
背景技术
金属粉体如Fe、Ni、Cu及Ag等，具有优异的导电、导热性能，在抗静电，电磁屏蔽，导电浆料，导热剂，催化剂等方面有着广泛的用途，然而金属粉体存在成本高，化学性质活泼，容易被氧化或腐蚀，因此使用寿命受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料，其具有良好的导热、抗静电、电磁屏蔽、抗氧化和防腐蚀性能，使用寿命长，从而克服现有技术中的不足。
本发明的另一目的在于提供一种制备前述薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料的方法。
本发明的又一目的在于提供前述薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料的应用。
为实现前述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料，包括薄层石墨烯搭桥并包覆的金属粉体。
进一步的，所述金属粉体包括过渡金属粉体。
所述薄层石墨烯包括层数为1-100层的石墨烯。
一种薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料的制备方法，包括：
取过渡金属粉体作为催化剂与薄层石墨烯混合，获得薄层石墨烯搭桥的金属粉体复合体系；
或者，取过渡金属粉体作为催化剂，并通过化学气相沉积在催化剂表面生长薄层石墨烯，而后再与薄层石墨烯复合，获得目标产物；
或者，取过渡金属盐和/或其水合物与过渡金属氧化物和/或其水合物中的任意一种以上与薄层石墨烯混合，再经过溶液或高温还原，制得薄层石墨烯搭桥的金属粉体复合体系。
作为较佳的实施方案之一，该方法还可包括：
通过化学气相沉积在薄层石墨烯搭桥的金属粉体复合体系内的金属粉体表面生长薄层石墨烯，获得目标产物。
作为较佳的实施方案之一，所述催化剂的制备方法可包括：取过渡金属盐和/或其水合物与过渡金属氧化物和/或其水合物中的任意一种以上作为原料，并经过溶液或高温还原后，获得所述催化剂，且所述催化剂的粒径为10nm-100μm。
所述薄层石墨烯的层数为1-100层，径向尺寸为10nm-1mm，所述搭桥的薄层石墨烯可包括但不限于还原氧化石墨烯、氧化石墨烯、氟化石墨烯、插层膨胀石墨烯、带孔石墨烯或液相解离的石墨烯，其中，所述插层膨胀石墨烯的膨胀工艺可包括但不限于微波膨胀、高温膨胀、电化学膨胀或化学反应膨胀。
所述溶液还原是在包含分散剂和还原剂的反应体系中进行或在包含分散剂的反应体系中利用电化学还原方式实现，其中，
所述分散剂包括聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基溴化铵、丙二醇，TritonX-100、十六烷基胺，三辛基磷氧或油酸，
所述还原剂包括乙二醇、硼氢化钠、硼氢化钠、水合肼或抗坏血酸；
所述高温还原的工艺条件包括：反应气氛主要由氩气和氢气形成，反应温度为100-1000℃。
优选的，所述反应气氛中氩气和氢气比例为0-500sccm：10-1000sccm。
作为较佳的实施方案之一，所述化学气相沉积的工艺条件包括：采用的碳源包括固相、液相或气相碳源，生长温度为400-1200℃，生长时间为30s-2h，生长压力为1torr-800torr，生长包覆的薄层石墨烯的层数为1-100层，其中，
所述固相碳源包括聚合物、糖或无定形碳，所述聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯、聚乙二醇或聚二甲基硅氧烷，所述糖包括葡萄糖，蔗糖，果糖或纤维素，
所述液相碳源包括小分子醇或芳香烃，所述小分子醇包括甲醇、乙醇或丙醇，
所述气相碳源包括甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、丙烷、一氧化碳或二氧化碳。
如上所述薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料或如上方法制备的薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料在制备导电、导热、抗静电、电磁屏蔽材料、储能材料、催化剂或合金材料中的应用。
一种复合材料，包括：
上述薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料或上述方法制备的薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料，以及
聚合物，包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、环氧树脂、硅橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、橡胶树脂、聚乙二醇、聚碳酸酯、聚酰亚胺或尼龙的一种以上。
与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：提供了一种简单薄层石墨烯搭桥并包覆金属粉体复合结构材料的制备方法，其能有效增强金属粉体的抗氧化性和防腐蚀性等，并使其兼具良好的导热、抗静电、电磁屏蔽性能，还能延长其使用寿命，同时降低体系成本，在抗静电，热管理，导热散热，电磁屏蔽，催化剂、烧结活化剂、导电浆料、电池、硬质合金等方面具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料的结构示意图；
图2a和图2b分别是实施例1中多层石墨烯包覆镍颗粒的SEM图；
图3是实施例2中多层石墨烯包覆镍颗粒的Raman图；
图4是实施例2中多层石墨烯搭接并包覆镍颗粒的SEM图。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术中的不足，本发明的一个方面旨在提供一种薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料，其包括薄层石墨烯搭桥并包覆的金属粉体，其结构可参阅图1。进一步的，所述金属粉体可包括过渡金属粉体，所述薄层石墨烯可包括层数为1-100层的石墨烯。
本发明的另一个方面旨在提供一种制备前述薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料的方法，其实施方案之一可包括：取过渡金属氧化物、盐及其水合物中的任意一种以上(亦可称为催化剂前驱体)为原料经过溶液或高温还原后，制备出不同粒径的金属粉或直接采用不同粒径的金属粉为催化剂，将金属催化剂与薄层石墨烯混合获得薄层石墨烯搭桥的复合体系，或将此复合体系通过化学气相沉积在催化剂表面生长薄层高质量石墨烯。或先在催化剂表面生长薄层高质量石墨烯，再与薄层石墨烯复合，制备出薄层石墨烯搭桥并包覆的金属粉体；
其另一实施方案可以包括：取过渡金属氧化物、盐及其水合物中的任意一种以上为原料与多层石墨烯混合后，经过溶液或高温还原，制备出薄层石墨搭桥的金属粉复合体系，或进一步将此复合体系通过化学气相沉积在催化剂表面生长多层高质量石墨烯，制备出薄层石墨烯搭桥并包覆的金属粉体。
前述催化剂可以包括过渡金属单质，而前述催化剂前驱体可以包括过渡金属氧化物、盐或其水合物，前述过渡金属包括Fe，Cu，Co，Ni，Pt或Ru等过渡金属。
本发明的又一个方面旨在提供前述薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料的应用方案，作为其中可行的实施方案之一，所述的应用方案可以包括：将该复合结构材料添加到聚合物中，作为导电，导热胶，垫，膏，浆，涂料等应用到导电，导热，抗静电，电磁屏蔽器件中。
前述聚合物可以选自但不限于聚苯胺，聚吡咯，聚噻吩，环氧树脂，硅橡胶，聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，高密度聚乙烯，聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯，聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇，聚丙烯酸，酚醛树脂，聚甲基丙烯酸甲酯，聚酰胺，橡胶树脂，聚乙二醇，聚碳酸酯，聚酰亚胺，尼龙等及其混合物。
以下结合若干较佳实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1：将5g镍粉放入石英管中，并通入氩气：100sccm，氢气200sccm15min。将管式炉升到900℃，气氛环境为：氢气：200sccm，氩气：100sccm甲烷为：30sccm；气压保持在：500torr，保持30min。待生长完毕后，通氩气200sccm直到石英管冷却，获得多层石墨烯包覆的镍粉，其形貌可参阅图2a和图2b和图3。
实施例2：将5g氯化镍镍粉与500mg膨胀石墨球磨混合后，放入石英管中，并通入氩气：100sccm，氢气200sccm15min。将管式炉升到900℃，气氛环境为：氢气：200sccm，氩气：100sccm甲烷为：30sccm；气压保持在：500torr，保持30min。待生长完毕后，通氩气200sccm直到石英管冷却，获得多层石墨烯搭接并包覆的镍粉，其表征结果可参阅图4。
实施例3：将氯化镍饱和溶液与氧化石墨烯溶液搅拌混合，冷冻干燥后，放入到管式炉中，600℃保持10min，气氛环境为：氢气：300sccm，氩气：100sccm。再将管式炉升到1000℃，在1000℃时保持10min，此时气氛环境为：甲烷：30sccm，氢气：200sccm，氩气：200sccm，保持10min，将石英管取出冷却至室温，获得石墨烯搭接并包覆的镍粉。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料，其特征在于，它包括薄层石墨烯搭桥并包覆的金属粉体，所述金属粉体包括过渡金属粉体，所述薄层石墨烯包括层数为1-100层的石墨烯，径向尺寸为10nm-1mm，而搭桥的薄层石墨烯包括氟化石墨烯、插层膨胀石墨烯、带孔石墨烯或液相解离的石墨烯；
并且所述薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料的制备方法包括：
取过渡金属粉体作为催化剂与薄层石墨烯混合，获得薄层石墨烯搭桥的金属粉体复合体系，或者取过渡金属盐和/或其水合物与过渡金属氧化物和/或其水合物中的任意一种以上与薄层石墨烯混合，再经过溶液或高温还原，制得薄层石墨烯搭桥的金属粉体复合体系，以及，
通过化学气相沉积在薄层石墨烯搭桥的金属粉体复合体系内的金属粉体表面生长包覆薄层石墨烯，获得目标产物；
其中所述催化剂的粒径为10nm-100μm。
2.根据权利要求1所述的薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料，其特征在于，所述催化剂的制备方法包括：取过渡金属盐和/或其水合物与过渡金属氧化物和/或其水合物中的任意一种以上作为原料，并经过溶液或高温还原后，获得所述催化剂。
3.根据权利要求1所述的薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料，其特征在于，所述插层膨胀石墨烯的膨胀工艺包括微波膨胀、高温膨胀、电化学膨胀或化学反应膨胀。
4.根据权利要求2所述的薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料，其特征在于，所述溶液还原是在包含分散剂和还原剂的反应体系中进行或在包含分散剂的反应体系中利用电化学还原方式实现，其中，
所述分散剂包括聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基溴化铵、丙二醇，TritonX-100、十六烷基胺，三辛基磷氧或油酸，
所述还原剂包括乙二醇、硼氢化钠、水合肼或抗坏血酸；
所述高温还原的工艺条件包括：反应气氛主要由氩气和氢气形成，反应温度为100-1000℃。
5.根据权利要求1所述的薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料，其特征在于，所述化学气相沉积的工艺条件包括：采用的碳源包括固相、液相或气相碳源，生长温度为400-1200℃，生长时间为30s-2h，生长压力为1torr-800torr，生长包覆的薄层石墨烯的层数为1-100层，其中，
所述固相碳源包括聚合物、糖或无定形碳，所述聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯、聚乙二醇或聚二甲基硅氧烷，所述糖包括葡萄糖，蔗糖，果糖或纤维素，
所述液相碳源包括小分子醇或芳香烃，所述小分子醇包括甲醇、乙醇或丙醇，
所述气相碳源包括甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、丙烷、一氧化碳或二氧化碳。
6.权利要求1所述的薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料在制备导电、导热、抗静电、电磁屏蔽材料、催化剂，储能材料或合金材料中的应用。
7.一种复合材料，其特征在于，包括：
权利要求1所述的薄层石墨烯/金属粉体复合结构材料，以及
聚合物，包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、环氧树脂、硅橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、橡胶树脂、聚乙二醇、聚碳酸酯、聚酰亚胺或尼龙。
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