CN103896240A - 一种石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料领域，其公开了一种石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，包括如下步骤：将石墨烯加入到溶剂中，超声处理后配置成浓度为0.5-2mg/ml的石墨烯悬浮液；将经酸处理过的碳纳米管加入到所述石墨烯悬浮液中，再次超声处理，得到前驱体溶液；将前驱体溶液置于反应器中密封后，进行热压处理，随后去除压力，得到石墨烯/碳纳米管复合材料。本发明提供的石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法的优点在于：通过临界流体的作用，使得石墨烯与碳纳米管混合的更为均匀，通过瞬间释放的压力，破坏石墨烯层与层之间的范德华力，使得石墨烯不容易团聚，从而得到碳纳米管和石墨烯均匀分散混合的复合材料。

Description

一种石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料的制备领域，尤其涉及一种石墨烯/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。
由于石墨烯的单分子层的二维结构在干燥失去层间的水过程中很容易发生团聚，最终导致其比表面积的利用率大大降低，由于碳纳米管和石墨烯在结构和性能上有很多相似之处，因此可通过碳纳米管插入到石墨烯层间，使得石墨烯层与层之间相互分离开，以达到提高石墨烯干燥后的比表面积，避免石墨烯团聚和叠层，进而增大超级电容器的比电容的目的。
一般通过石墨烯直接与碳纳米管超声混合，由于石墨烯和碳纳米管均较难在溶剂中分散，容易导致分散不均匀。
发明内容
本发明所要解决的问题在于提供一种石墨烯与碳纳米管均匀分散混合的石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法。
本发明提供的石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，是将石墨烯加入到溶剂中，超声分散一段时间，然后加入酸处理过的碳纳米管，超声搅拌，然后将其放入高温高压反应釜中，加热加压到溶剂的临界温度，反应一定时间后，卸掉压力，得到石墨烯与碳纳米管的粗产品，然后通过乙醇反复冲洗，过滤，干燥得到石墨烯与碳纳米管的混合物。
技术方案如下：
一种石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将石墨烯加入到溶剂中，超声处理后配置成浓度为0.5-2mg/ml的石墨烯悬浮液；
将经酸处理过的碳纳米管加入到所述石墨烯悬浮液中，再次超声处理，得到前驱体溶液；其中，所述石墨烯与碳纳米管的质量比为1:1-5:1；
将前驱体溶液置于反应器中密封后，在240℃-400℃和5-25MPa压力下进行热处理10-60min，随后去除压力，得到石墨烯/碳纳米管复合材料。
所述石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，优选地，所述溶剂为水、异丙醇、甲醇及DMF（N,N-二甲基甲酰胺）中的至少一种。
所述石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，优选地，石墨烯悬浮液的配置和碳纳米管加入石墨烯悬浮液中步骤中，所述超声处理的时间均为0.5-1h。
所述石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，优选地，处理碳纳米管所用的酸为浓硫酸与浓硝酸的混酸；浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1。
所述石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，优选地，所述反应器为高温高压反应釜。
所述石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，优选地，所述热处理后，还对石墨烯/碳纳米管复合材料进行纯化干燥处理：
将热压处理后得到的产物用乙醇反复冲洗、过滤，随后于60℃下真空干燥，得到纯化的石墨烯/碳纳米管复合材料。
本发明提供的石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法的优点在于：通过临界流体的作用，使得石墨烯与碳纳米管混合的更为均匀，通过瞬间释放的压力，破坏石墨烯层与层之间的范德华力，使得石墨烯不容易团聚，从而得到碳纳米管和石墨烯均匀分散混合的复合材料。
附图说明
图1为实施例1制得的石墨烯/碳纳米管复合材料的扫描电镜（SEM）图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。
实施例1
（1）石墨烯与碳纳米管的混合溶液：将石墨烯加入到水中，配置成浓度为0.5mg/ml的石墨烯溶液超声0.5h，得到均匀分散的石墨烯悬浮液。然后将酸处理的碳纳米管缓慢加入到石墨烯悬浮液中，超声分散1h。
其中石墨烯与碳纳米管的质量比为1：1。
其中酸处理的碳纳米管的具体步骤为：称取2g碳纳米管于三口烧瓶中，加入浓硫酸60ml，浓硝酸20ml，超声分散30min，在120℃的油浴中回流1h，将溶液用蒸馏水稀释，去除上层清液，反复冲洗数次，过滤，水洗至中性，真空干燥箱干燥，得到酸处理的MWNTs（多壁碳纳米管）。
（2）石墨烯与碳纳米管复合材料：将所得到的悬浮液放入高温高压反应釜中，将其密封好，然后将其加热到400℃，压力在25MPa下，保持60min，卸掉反应釜内的压力，得到石墨烯与碳纳米管的初产品，将此用乙醇反复冲洗，过滤，60℃真空干燥得到石墨烯/碳纳米管复合材料。
图1为实施例1制得的石墨烯/碳纳米管复合材料的扫描电镜（SEM）图。从图1可看出，石墨烯与碳纳米管相互均匀分散混合。
实施例2
（1）石墨烯与碳纳米管的混合溶液：将石墨烯加入到异丙醇中，配置成浓度为1mg/ml的石墨烯溶液超声1h，得到均匀分散的石墨烯悬浮液。然后将酸处理的碳纳米管加入到石墨烯悬浮液中，超声分散0.5h。
其中石墨烯与碳纳米管的质量比为2：1。
其中酸处理的碳纳米管的具体步骤为：称取2g碳纳米管于三口烧瓶中，加入浓硫酸60ml，浓硝酸20ml，超声分散30min，在120℃的油浴中回流1h，将溶液用蒸馏水稀释，去除上层清液，反复冲洗数次，过滤，水洗至中性，真空干燥箱干燥，得到酸处理的MWNTs。
（2）石墨烯与碳纳米管复合材料：将所得到的悬浮液放入高温高压反应釜中，将其密封好，然后将其加热到240℃，压力在5MPa下，保持50min，卸掉反应釜内的压力，得到石墨烯与碳纳米管的初产品，将此用乙醇反复冲洗，过滤，60℃真空干燥得到石墨烯/碳纳米管复合材料。
实施例3
（1）石墨烯与碳纳米管的混合溶液：将石墨烯加入到甲醇中，配置成浓度为1.5mg/ml的石墨烯溶液超声1h，得到均匀分散的石墨烯悬浮液。然后将酸处理的碳纳米管加入到石墨烯悬浮液中，超声分散0.5h。
其中石墨烯与碳纳米管的质量比为3：1。
其中酸处理的碳纳米管的具体步骤为：称取2g碳纳米管于三口烧瓶中，加入浓硫酸60ml，浓硝酸20ml，超声分散30min，在120℃的油浴中回流1h，将溶液用蒸馏水稀释，去除上层清液，反复冲洗数次，过滤，水洗至中性，真空干燥箱干燥，得到酸处理的MWNTs。
（2）石墨烯与碳纳米管复合材料：将所得到的悬浮液放入高温高压反应釜中，将其密封好，然后将其加热到240℃，压力在8MPa下，保持30min，卸掉反应釜内的压力，得到石墨烯与碳纳米管的初产品，将此用乙醇反复冲洗，过滤，60℃真空干燥得到石墨烯/碳纳米管复合材料。
实施例4
（1）石墨烯与碳纳米管的混合溶液：将石墨烯加入到DMF中，配置成浓度为0.5mg/ml的石墨烯溶液超声0.5h，得到均匀分散的石墨烯悬浮液。然后将酸处理的碳纳米管加入到石墨烯悬浮液中，超声分散0.5h。
其中石墨烯与碳纳米管的质量比为5：1。
其中酸处理的碳纳米管的具体步骤为：称取2g碳纳米管于三口烧瓶中，加入浓硫酸60ml，浓硝酸20ml，超声分散30min，在120℃的油浴中回流1h，将溶液用蒸馏水稀释，去除上层清液，反复冲洗数次，过滤，水洗至中性，真空干燥箱干燥，得到酸处理的MWNTs（多壁碳纳米管）。
（2）石墨烯与碳纳米管复合材料：将所得到的悬浮液放入高温高压反应釜中，将其密封好，然后将其加热到400℃，压力在5MPa下，保持10min，卸掉反应釜内的压力，得到石墨烯与碳纳米管的初产品，将此用乙醇反复冲洗，过滤，60℃真空干燥得到石墨烯/碳纳米管复合材料。
应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将石墨烯加入到溶剂中，超声处理后配置成浓度为0.5-2mg/ml的石墨烯悬浮液；
将经酸处理过的碳纳米管加入到所述石墨烯悬浮液中，再次超声处理，得到前驱体溶液；其中，所述石墨烯与碳纳米管的质量比为1:1-5:1；
将前驱体溶液置于反应器中密封后，在240℃-400℃和5-25MPa压力下进行热处理10-60min，随后去除压力，得到石墨烯/碳纳米管复合材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为水、异丙醇、甲醇及N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，所述超声处理的时间为0.5-1h。
4.根据权利要求1所述的石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，处理碳纳米管所用的酸为浓硫酸与浓硝酸的混酸；浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1。
5.根据权利要求1所述的石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，所述反应器为高温高压反应釜。
6.根据权利要求1所述的石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，所述热处理后，还对制得的石墨烯/碳纳米管复合材料进行纯化干燥处理：将热处理后得到的产物用乙醇反复冲洗、过滤，随后于60℃下真空干燥，得到纯化的石墨烯/碳纳米管复合材料。
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