CN111170310B - 一种三维石墨烯/碳纳米管复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维石墨烯/碳纳米管复合材料及其制备方法，属于功能纳米材料领域。所述制备方法为：将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去离子水中配成混合溶液，完全干燥后研磨成粉末，粉末置于管式炉中先在保护气氛中热处理，随后通入气体碳源，保温一定时间；再经高温石墨化处理，即可得到三维石墨烯/碳纳米管复合材料。本发明制备的三维石墨烯/碳纳米管复合材料的导电性好，比表面大，活性物质负载量高，电化学性能稳定。而且生产周期短，成本低，可重复性强且可大规模制备，所得材料在储能、催化等领域具有广阔应用前景。

Description

一种三维石墨烯/碳纳米管复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于功能纳米材料领域，具体涉及一种三维石墨烯/碳纳米管复合材料及其制备方法。
背景技术
石墨烯和碳纳米管作为碳材料家族中的两大明星材料，因其优异的力学、光学、电学、热学、等性能而成为化学、材料、物理等领域中重要的研究方向。并已被广泛应用在弧光照明装置、通信装置、电器设备、能源存储与电催化材料等领域。构建碳纳米管/三维石墨烯结构的复合材料，充分发挥碳纳米管和石墨烯的协同效应，不仅可以利用碳纳米管/三维石墨烯高的比表面积而增加电化学活性物质的负载量，还可以充分利用其导电网络来加快电子、离子的传导。
然而，在制备三维石墨烯和碳纳米管复合材料的过程中，催化剂在三维石墨烯中的分散性往往难以控制，进而造成碳纳米管的生长不均匀。尽管现有技术中，常采用三维石墨烯气凝胶来作为催化剂的载体，但石墨烯气凝胶的制备过程复杂且金属离子在气凝胶中的分散均匀性难以控制。因此，实现催化剂在三维石墨烯中的良好分散以及利用简单工艺、规模化可控制备出特定形貌和高比表面积的三维石墨烯碳纳米管复合材料，对于石墨烯和碳纳米管的复合材料发展具有极其重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低、可调控型强、可规模化制备三维石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，以解决现有三维石墨烯/碳纳米管复合材料制备方法存在的流程复杂，成本高的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种三维石墨烯/碳纳米管复合材料，其特征在于：该复合材料由蜂窝状三维石墨烯框架和生长在框架上的碳纳米管构成。其中碳纳米管为多壁碳纳米管，管径尺寸在10～100nm之间；三维石墨烯框架由少数层石墨烯原位组装而成，且层数为2～8层；石墨烯与碳纳米管以共价键相连。
如上所述的三维石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，包括如下步骤：
a.将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶解在去离子水中配成混合溶液，完全干燥后研磨成粉末；
b.将粉末置于管式炉中在保护气氛中以3～5℃/min的升温速率加热至150～250℃，保温0.5～1h；然后以4～6℃/min的升温速率加热至700～800℃，保温1～2h；再以3～5℃/min的升温速率加热至850～880℃，保温2～3h；随后以3～5℃/min的降温速率降温至605～645℃，通入气体碳源，保温0.5～2h后切断气体碳源，待炉子降至室温，收集产物，为多壁碳纳米管包裹的碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料或多壁碳纳米管包裹的铁/碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料。
c.将多壁碳纳米管包裹的碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料或多壁碳纳米管包裹的铁/碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料置于高温石墨化炉中，在氩气气氛中以5～8℃/min的升温速率加热至2800～3000℃，保温1～2h；待高温炉降至室温，收集产物，即为三维石墨烯/碳纳米管复合材料。
进一步地，所述步骤a中九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮质量比为(1.4～1.6)：1。
进一步地，所述步骤a中混合溶液的干燥温度为85℃。
进一步地，所述步骤b中的气体碳源为饱和乙醇蒸汽、饱和甲醇蒸汽、乙烯和乙炔气体中的一种。
进一步地，所述步骤b中的气体碳源为饱和乙醇蒸汽和饱和甲醇蒸汽时，保护气氛为氢氩混合气，其中氢气的体积分数为10～20％，氩气的体积分数为80～90％。
进一步地，所述步骤b中的气体碳源为乙烯和乙炔时，保护气氛为高纯氩气；其中氩气的体积分数为70％～80％，气体碳源的体积分数为20～30％。
进一步地，所述步骤b中保护气氛为氩氢混合气时，得到的产物为多壁碳纳米管包裹的铁/碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料；保护气氛为高纯氩气时，得到的产物为多壁碳纳米管包裹的碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料。
进一步地，所述步骤b中气体碳源和保护气氛的气体总流量为120～180sccm。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
1)该复合材料由蜂窝状三维石墨烯框架和生长在框架上的碳纳米管构成。其中碳纳米管为多壁碳纳米管，三维石墨烯框架由少数层石墨烯原位组装而成，石墨烯与碳纳米管以共价键紧紧相连。
2)该复合材料制备工艺流程简单易操作，成本低，可规模化制备。
3)制备的复合材料中活性物质载量和成分可调，比表面积大，导电性高，应用领域广阔。
附图说明
图1为本发明制备的三维石墨烯/碳纳米管复合材料的扫描电镜照片。
图2为本发明制备的三维石墨烯/碳纳米管复合材料的透射电镜照片。
具体实施方式
实施例一
按质量比1:1.5称取聚乙烯吡咯烷酮和九水硝酸铁溶解在去离子水中配成混合溶液，然后置于鼓风干燥箱中85℃保温直至完全干燥，干燥后的产物研磨成粉体并将粉体转移至坩埚中，坩埚置于管式炉中在氩氢混合气气氛(氢气与氩气的体积比为15:85)中以4℃/min的升温速率加热至200℃，保温0.5h；然后以4℃/min的升温速率加热至750℃，保温1h；再以5℃/min的升温速率加热至850℃，保温2h；随后以5℃/min的降温速率降温至610℃，通入饱和乙醇蒸汽并调节气体总流量为150sccm，保温1h后切断饱和乙醇蒸汽，调节通入的氢氩混合气流量为150sccm，待管式炉冷却至室温后，收集产物，为多壁碳纳米管包裹的铁/碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料；随后取适量多壁碳纳米管包裹的铁/碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料置于高温石墨化炉中，在氩气气氛中以5℃/min的升温速率加热至2800℃，保温1h；待高温炉降至室温，收集产物，即为三维石墨烯/碳纳米管复合材料。
实施例二
按质量比1:1.5称取聚乙烯吡咯烷酮和九水硝酸铁溶解在去离子水中配成混合溶液，然后置于鼓风干燥箱中85℃保温直至完全干燥，干燥后的产物研磨成粉体并将粉体转移至坩埚中，坩埚置于管式炉中在氩氢混合气气氛(氢气与氩气的体积比为15:85)中以4℃/min的升温速率加热至200℃，保温0.5h；然后以4℃/min的升温速率加热至750℃，保温1h；再以5℃/min的升温速率加热至850℃，保温2h；随后以5℃/min的降温速率降温至610℃，通入饱和甲醇蒸汽并调节气体总流量为150sccm，保温1h后切断饱和甲醇蒸汽，调节通入的氢氩混合气流量为150sccm，待管式炉冷却至室温后，收集产物，为多壁碳纳米管包裹的铁/碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料；随后取适量多壁碳纳米管包裹的铁/碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料置于高温石墨化炉中，在氩气气氛中以5℃/min的升温速率加热至2800℃，保温1h；待高温炉降至室温，收集产物，即为三维石墨烯/碳纳米管复合材料。
实施例三
按质量比1:1.5称取聚乙烯吡咯烷酮和九水硝酸铁溶解在去离子水中配成混合溶液，然后置于鼓风干燥箱中85℃保温直至完全干燥，干燥后的产物研磨成粉体并将粉体转移至坩埚中，坩埚置于管式炉中在氩气气氛中以4℃/min的升温速率加热至200℃，保温0.5h；然后以4℃/min的升温速率加热至750℃，保温1h；再以5℃/min的升温速率加热至850℃，保温2h；随后以5℃/min的降温速率降温至610℃，通入体积分数为10％的乙炔并调节气体总流量为150sccm，保温1h后切断乙炔气体，调节气体总气流量为150sccm，待管式炉冷却至室温后，收集产物，为多壁碳纳米管包裹的碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料；随后取适量多壁碳纳米管包裹的碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料置于高温石墨化炉中，在氩气气氛中以5℃/min的升温速率加热至2800℃，保温1h；待高温炉降至室温，收集产物，即为三维石墨烯/碳纳米管复合材料。
实施例四
按质量比1:1.5称取聚乙烯吡咯烷酮和九水硝酸铁溶解在去离子水中配成混合溶液，然后置于鼓风干燥箱中85℃保温直至完全干燥，干燥后的产物研磨成粉体并将粉体转移至坩埚中，坩埚置于管式炉中在氩气气氛中以4℃/min的升温速率加热至200℃，保温0.5h；然后以4℃/min的升温速率加热至750℃，保温1h；再以5℃/min的升温速率加热至850℃，保温2h；随后以5℃/min的降温速率降温至610℃，通入体积分数为10％的乙烯并调节气体总流量为150sccm，保温1h后切断乙烯气体，调节气体总气流量为150sccm，待管式炉冷却至室温后，收集产物，为多壁碳纳米管包裹的碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料；随后取适量多壁碳纳米管包裹的碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料置于高温石墨化炉中，在氩气气氛中以5℃/min的升温速率加热至2800℃，保温1h；待高温炉降至室温，收集产物，即为三维石墨烯/碳纳米管复合材料。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三维石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，
该复合材料由蜂窝状三维石墨烯框架和生长在框架上的碳纳米管构成；其中碳纳米管为多壁碳纳米管，管径尺寸在10~100nm之间；三维石墨烯框架由少数层石墨烯原位组装而成，且层数为2~8层；石墨烯与碳纳米管以共价键相连；
包括如下步骤：
a. 将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮K30溶解在去离子水中配成混合溶液，完全干燥后研磨成粉末；
b. 将粉末置于管式炉中在保护气氛中以3~5℃/min的升温速率加热至150~250℃，保温0.5~1h；然后以4~6℃/min的升温速率加热至700~800℃，保温1~2h；再以3~5℃/min的升温速率加热至850~880℃，保温2~3h；随后以3~5℃/min的降温速率降温至605~645℃，通入气体碳源，保温0.5~2h后切断气体碳源，待炉子降至室温，收集产物，产物为多壁碳纳米管包裹的碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料或多壁碳纳米管包裹的铁/碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料；
c. 将多壁碳纳米管包裹的碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料或多壁碳纳米管包裹的铁/碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料置于高温石墨化炉中，在氩气气氛中以5~8℃/min的升温速率加热至2800~3000℃，保温1~2h；待高温炉降至室温，收集产物，即为三维石墨烯/碳纳米管复合材料；
所述步骤a中九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮K30质量比为（1.4~1.6）：1；
所述步骤b中的气体碳源为饱和乙醇蒸汽、饱和甲醇蒸汽、乙烯和乙炔气体中的一种；
所述步骤b中保护气氛为氩氢混合气时，得到的产物为多壁碳纳米管包裹的铁/碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料；保护气氛为高纯氩气时，得到的产物为多壁碳纳米管包裹的碳化铁纳米颗粒/三维石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的三维石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤a中混合溶液的干燥温度为85℃。
3.根据权利要求1所述的三维石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b中的气体碳源为饱和乙醇蒸汽和饱和甲醇蒸汽时，保护气氛为氢氩混合气，其中氢气的体积分数为10~20%，氩气的体积分数为80~90%。
4.根据权利要求1所述的三维石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b中的气体碳源为乙烯和乙炔时，保护气氛为高纯氩气；其中氩气的体积分数为70%~80%，气体碳源的体积分数为20~30%。
5.根据权利要求1所述的三维石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b中气体碳源和保护气氛的气体总流量为120~180sccm。
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