CN105253875B - 石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料制备方法，包括以下过程：配制成质量分数为硝酸盐溶液，加入聚甲基丙烯酸甲酯颗粒，水浴搅拌得到匀质胶体溶液，加入电解铜粉，再水浴搅拌，得到前驱体浆料；将泡沫镍浸入前驱体浆料中，取出后干燥并压片，得到前驱体模板片；将在甲烷/氢气/氩气的混合气体气氛下将前驱体模板片置于石英管式炉高温区加热，最后在氩气气氛保护下，快速冷却至室温，得到预制片；将预制片放入到氯化铁‑盐酸腐蚀液中浸泡，再清洗和干燥，得到石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料。采用此种方法制备的多孔石墨烯负载碳纳米洋葱三维复合材料具有优良的孔结构、导电性以及化学稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料及其制备方法，属于碳纳米材料技术。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，其具有碳的六元环紧密堆积形成的二维周期性点阵结构，厚度仅为0.335nm。因其结构的独特性，石墨烯具有大的比表面积(理论值为2600m2/g)、优异的导电和导热性能，在锂离子电池以及超级电容器等能源存储领域具有广泛的应用前景。但是石墨烯化学稳定性差，易于团聚，使其有效比表面积大大低于理论值，从而限制了相关应用。
因此相关领域人员为避免石墨烯的片层团聚，进行了一系列的改进研究。如：对石墨烯进行非金属元素掺杂或者官能团接枝，使片层通过静电排斥作用而分离，进而减少团聚；将石墨烯与金属纳米颗粒进行复合，分离片层。然而这些方法均会对碳含量与结晶性产生影响，进而限制其应用。
目前现有的报道中，已有关于碳纳米管与石墨烯复合材料的相关应用。这种碳-碳复合方式不仅可以借助碳纳米管将石墨烯片层撑开减少团聚，而且可以形成三维结构，增加应用性。但是，碳纳米管与石墨烯片层的垂直取向不能得到有效控制。因此需找一种新的复合结构及制备方式成为了碳纳米材料研究的热点之一。目前，关于石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料及其制备方法，尚未见到相关报道。
发明内容
本发明旨在提供一种石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料制备方法，该石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料具有优良的孔结构、导电性以及化学稳定性，是具有良好应用前景的材料之一，制备过程简单。
一种石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料制备方法，其特征在于包括以下过程：
1)在搅拌条件下，按Fe(NO3)3·9H2O与Ni(NO3)2·6H2O摩尔比为(0.5～2):1将Fe(NO3)3·9H2O和Ni(NO3)3·6H2O加入体积分数80％的乙醇水溶液中，配制成质量分数为0.5～3mol·mL-1的硝酸盐溶液，称取聚甲基丙烯酸甲酯颗粒，按其与硝酸铁和硝酸镍的总质量比为1：(0.5～2)，加入到配制好的硝酸盐溶液中，在温度70～90℃水浴搅拌5～10h，得到匀质胶体溶液，然后按电解铜粉与聚甲基丙烯酸甲酯颗粒质量比3:(1～3)将一定量电解铜粉加入匀质胶体溶液中，在温度70～90℃水浴搅拌，得到前驱体浆料；
2)将泡沫镍直接浸入到温度为70～90℃的步骤1)得到的前驱体浆料中，保持10～30s后取出，在60～80℃条件下干燥10min，然后用压片机在5MPa压力下维持3min，得到厚度为0.1～1mm的前驱体模板片；
3)将步骤2)制得的前驱体模板片置于石英管式炉低温区，按照甲烷30～60mL·min-1、氢气100～200mL·min-1、氩气50～300mL·min-1的比例向管式炉中通入甲烷/氢气/氩气的混合气体20～40min，当管式炉高温区升温至850～1000℃，将方舟由低温区快速推至高温区，保温10～30min，最后在50～300mL·min-1的氩气气氛保护下，快速冷却至室温，得到预制片；
4)将预制片放入到氯化铁-盐酸腐蚀液中浸泡，再清洗和干燥，得到石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：操作简单，成本低。设备为普通的石英管式炉，磁力搅拌器等，无需其他大型或复杂设备。石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料可以通过前驱体浆料成分、化学气相沉积过程温度、时间、载气比、升温速率来控制。此方法制备的材料在材料领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例一所制得石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料宏观照片。
图2为本发明实施例一所制得石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料SEM图。
图3(a)和(b)均为本发明实施例一所制得石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料TEM图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，这些实施例只是用于说明本发明，并不限制本发明。
实施例一
分别称量质量1.8g的Fe(NO3)3·9H2O和1.18g Ni(NO3)2·6H2O放入30mL体积分数80％的乙醇水溶液中，200r·min-1机械搅拌15min，待混合均匀后，将3.25g PMMA颗粒加入到混合溶液中，在温度90℃水浴条件下200r·min-1搅拌5h，得到匀质胶体溶液，然后加入4g电解铜粉，继续搅拌12h，得到前驱体浆浆料，将大小为1cm*1cm*0.3mm的泡沫镍直接浸入到前驱体浆料中，保持10s后取出，在80℃条件下干燥10min，然后用压片机在5MPa压力下维持3min，得到前驱体模板片，将其置于方舟并平放于石英管式炉低温区，按照甲烷60mL·min-1、氢气180mL·min-1、氩气240mL·min-1的比例向管式炉中通入甲烷/氢气/氩气的混合气体，将管式炉高温区升温至1000℃，将方舟由低温区快速推至高温区，保温30min，最后在300mL·min-1的氩气气氛保护下，快速冷却至室温，得到预制片，将预制片放入到氯化铁-盐酸腐蚀液中浸泡48h，再用载玻片转移到去离子水中清洗，换水3次至清洗液pH值为7，在室温条件下干燥，得到石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料。
实施例二
分别称量质量2.7g的Fe(NO3)3·9H2O和1.77g Ni(NO3)2·6H2O放入60mL体积分数80％的乙醇水溶液中，200r·min-1机械搅拌15min，待混合均匀后，将6.5g PMMA颗粒加入到混合溶液中，在温度90℃水浴条件下200r·min-1搅拌5h，得到匀质胶体溶液，然后加入7.5g电解铜粉，继续搅拌12h，得到前驱体浆浆料，将大小为2.5cm*1cm的泡沫镍直接浸入到前驱体浆料中，保持10s后取出，在80℃条件下干燥10min，然后用压片机在5MPa压力下维持3min，得到前驱体模板片，将其置于方舟并平放于石英管式炉低温区，按照甲烷60mL·min-1、氢气180mL·min-1、氩气240mL·min-1的比例向管式炉中通入甲烷/氢气/氩气的混合气体，以20℃·min-1的速率将管式炉高温区升温至850℃，将方舟由低温区推至高温区，保温20min，最后在250mL·min-1的氩气气氛保护下，快速冷却至室温，得到预制片，将预制片放入到氯化铁-盐酸腐蚀液中浸泡48h，再用载玻片转移到去离子水中清洗，换水3次，在室温条件下干燥，得到石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料。
实施例三
分别称量质量1.8g的Fe(NO3)3·9H2O和1.18g Ni(NO3)2·6H2O放入40mL体积分数80％的乙醇水溶液中，200r·min-1机械搅拌15min，待混合均匀后，将3.25g PMMA颗粒加入到混合溶液中，在温度90℃水浴条件下200r·min-1搅拌5h，得到匀质胶体溶液，然后加入7.5g电解铜粉，继续搅拌12h，得到前驱体浆浆料，将大小为2.5cm*2cm的泡沫镍直接浸入到前驱体浆料中，保持10s后取出，在80℃条件下干燥10min，然后用压片机在5MPa压力下维持3min，得到前驱体模板片，将其置于方舟并平放于石英管式炉低温区，按照甲烷30mL·min-1、氢气180mL·min-1、氩气240mL·min-1的比例向管式炉中通入甲烷/氢气/氩气的混合气体，以20℃·min-1的速率将管式炉高温区升温至1000℃，将方舟由低温区推至高温区，保温10min，最后在300mL·min-1的氩气气氛保护下，快速冷却至室温，得到预制片，将预制片放入到氯化铁-盐酸腐蚀液中浸泡48h，再用载玻片转移到去离子水中清洗，换水3次，在室温条件下干燥，得到石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料。
Claims (1)
1.一种石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料制备方法，其特征在于包括以下过程：
1)在搅拌条件下，按Fe(NO3)3·9H2O与Ni(NO3)2·6H2O摩尔比为(0.5～2):1将Fe(NO3)3·9H2O和Ni(NO3)3·6H2O加入体积分数80％的乙醇水溶液中，配制成摩尔浓度为0.5～3mol·mL-1的硝酸盐溶液，称取聚甲基丙烯酸甲酯颗粒，按其与硝酸铁和硝酸镍的总质量比为1：(0.5～2)，加入到配制好的硝酸盐溶液中，在温度70～90℃水浴搅拌5～10h，得到匀质胶体溶液，然后按电解铜粉与聚甲基丙烯酸甲酯颗粒质量比3:(1～3)将一定量电解铜粉加入匀质胶体溶液中，在温度70～90℃水浴搅拌，得到前驱体浆料；
2)将泡沫镍直接浸入到温度为70～90℃的步骤1)得到的前驱体浆料中，保持10～30s后取出，在60～80℃条件下干燥10min，然后用压片机在5MPa压力下维持3min，得到厚度为0.1～1mm的前驱体模板片；
3)将步骤2)制得的前驱体模板片置于石英管式炉低温区，按照甲烷30～60mL·min-1、氢气100～200mL·min-1、氩气50～300mL·min-1的比例向管式炉中通入甲烷/氢气/氩气的混合气体20～40min，当管式炉高温区升温至850～1000℃，将方舟由低温区快速推至高温区，保温10～30min，最后在50～300mL·min-1的氩气气氛保护下，快速冷却至室温，得到预制片；
4)将预制片放入到氯化铁-盐酸腐蚀液中浸泡，再清洗和干燥，得到石墨烯负载碳纳米带阵列三维复合材料。
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