CN102530913A - 石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法 - Google Patents

石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法 Download PDF

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周明杰
吴凤
王要兵
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Abstract

一种石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将氧化石墨和经酸处理过的碳纳米管加入水中，超声震荡，搅拌，得到均匀分散的混合溶液；步骤二、将所述混合溶液过滤，将固体物干燥，然后在惰性气体的环境下，以10℃/分的速度升温至1000～1200℃，保温10～30分钟，冷却至室温，得到石墨烯-碳纳米管复合材料。上述方法具有工艺简单，成本较低的优点。

Description

石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种纳米碳复合材料，特别是涉及一种石墨烯-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。
碳纳米管是在1991年从电弧法生产的碳纤维中发现的(S.Iijima，Nature354，56(1991)。它是一种管状碳分子，管上每个碳原子采取sp2杂化，相互之间以碳-碳键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架；碳纳米管的长径比一般在1000∶1以上，强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7；硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，是理想的高强度纤维材料，因而被称“超级纤维”。
在纳米碳复合结构体方面，大多研究集中在金属颗粒、有机分子与碳纳米管或石墨烯的结合方面。相当于一维、零维碳材料的掺杂研究。碳类材料之间形成的复合体，主要集中在生长碳纳米管过程中，同时产生的其他碳同素异形体。研究较广泛的有1998年发现的零维与一维的复合结构体——纳米豆荚(Smith，g.W.et al.Nature 396，323(1998))。直到2008年3月，富士通研究所在第34届富勒烯纳米管综合研讨会上，发表了其在自组织形成接合碳纳米管与石墨烯的新型纳米碳复合结构体方面获得的成功。富士通研究所利用化学气相沉积成长法，在510℃的温度下，在相对于底板呈垂直方向整齐生成的多壁碳纳米管上，形成了由几层到几十层的石墨自组织形成的复合结构体。这是首次实现一维结构的碳纳米管与二维结构的石墨烯垂直接合的非原子结构的接合结构体。
然而，传统制备石墨烯-碳纳米管复合材料的方法工艺复杂、成本较高且还原石墨烯使用水合肼等有毒害试剂。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种工艺简单，成本较低的石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法。
一种石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将氧化石墨和经酸处理过的碳纳米管加入水中，超声震荡，搅拌，得到均匀分散的混合溶液；
步骤二、将所述混合溶液过滤，将固体物干燥，然后在惰性气体的环境下，以10℃/分的速度升温至1000～1200℃，保温10～30分钟，冷却至室温，得到石墨烯-碳纳米管复合材料。
在优选的实施例中，所述氧化石墨和经酸处理过的碳纳米管的质量比为1∶1～2∶1。
在优选的实施例中，步骤二之后还包括对所述石墨烯-碳纳米管复合材料进一步纯化的步骤：
在氢气气氛下，将所述石墨烯-碳纳米管复合材料加热至1000～1200℃，保温30～60分钟，冷却至室温，得到纯化的石墨烯-碳纳米管复合材料。
在优选的实施例中，步骤一中超声震荡的时间为20～40分钟，搅拌的时间为30～60分钟。
在优选的实施例中，步骤二中干燥的温度为50～60℃，干燥时间为5～10小时。
在优选的实施例中，步骤一中所述氧化石墨通过如下方法制备：将石墨、过硫酸钾和五氧化二磷按照质量比2～10∶1∶1加入到80～120℃的浓硫酸中，搅拌均匀后自然冷却，洗涤至中性后干燥，得到预氧化石墨；
将所述预氧化石墨缓慢加入到浓硫酸中，保持混合溶液的温度在20℃以下缓慢加入高锰酸钾，，然后在25～35℃下油浴1～3小时，加入去离子水，控制温度在98℃以下，维持15分钟，然后加入去离子水和双氧水溶液，抽滤、收集固体；及
所述固体用稀盐酸洗涤，干燥，得到所述氧化石墨。
在优选的实施例中，所述经酸处理过的碳纳米管通过如下方法制备：
将碳纳米管加入到浓硫酸和浓硝酸组成的混合酸液中，超声分散30分钟～1小时，在70～90℃下反应1～3小时；
用蒸馏水稀释溶液，去除上层清液，清洗，抽滤，取固体水洗至中性，干燥，得到所述经酸处理过的碳纳米管。
在优选的实施例中，所述抽滤使用的是孔径为0.2μm～0.5μm的聚乙烯微孔滤膜。
在优选的实施例中，所述混合酸液中，浓硫酸与浓硝酸的体积比为3～5∶1。
上述制备方法工艺简单，通过将氧化石墨与碳纳米管溶解于水中超声搅拌，在通过热还原石墨烯。可更好地将碳纳米管***石墨烯片层之间，更好地发挥性能互补的效果。另外，采用热还原的方法使氧化石墨生成石墨烯，在提高纯度的同时，避免使用水合肼等有毒害试剂，使得该方法成本较低，且对环境污染较小。
【附图说明】
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为一实施方式的石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法的流程图；
图2为一实施方式的经酸处理过的碳纳米管的扫描电子显微镜照片；
图3为一实施方式的石墨烯-碳纳米管复合材料的扫描电子显微镜照片。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
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以及层叠，卷曲或者高度皱折，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***到石墨烯层间，或者碳纳米管上的官能团与石墨烯上的官能团相互发生反应，使碳纳米管接枝在石墨烯表面，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。
请参阅图1，一实施例的石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法包括如下步骤：
步骤S110，提供或制备氧化石墨和经酸处理过的碳纳米管。
氧化石墨可以采用传统的方法制备得到。优选的，可以采用改进的Hummers方法制备：
(a)、将石墨、过硫酸钾和五氧化二磷按照质量比2～10∶1∶1加入到80～120℃的浓硫酸中，搅拌均匀后自然冷却，洗涤至中性后干燥，得到预氧化石墨烯。该石墨优选为鳞片状石墨。
(b)、将所述预氧化石墨缓慢加入到浓硫酸中，保持混合溶液的温度在20℃以下缓慢加入高锰酸钾，，然后在25～35℃下油浴1～3小时，加入去离子水，控制温度在98℃以下，维持15分钟，然后加入去离子水和双氧水溶液，抽滤、收集固体；及
(c)、固体用稀盐酸洗涤，干燥，得到氧化石墨。
经酸处理过的碳纳米管可以采用传统的方法制备得到。优选的，可以采用如下方法制备：
(A)、将碳纳米管加入到浓硫酸和浓硝酸组成的混合酸液中，超声分散30分钟～1小时，在70～90℃下反应1～3小时。优选的，所述混合酸液中，浓硫酸与浓硝酸的体积比为3～5∶1。
(B)、用蒸馏水稀释溶液，去除上层清液，清洗，抽滤，取固体水洗至中性，干燥，得到所述经酸处理过的碳纳米管。优选的，抽滤使用的是孔径为0.2μm～0.5μm的聚乙烯微孔滤膜。
步骤S120，将步骤S110得到的氧化石墨和经酸处理过的碳纳米管加入水中，超声震荡，搅拌，得到均匀分散的混合溶液。
优选的，将氧化石墨和经酸处理过的碳纳米管以1∶1～2∶1的比例加入水中，超声震荡20～40min，然后在室温下搅拌30～60min，得到均匀分散的混合溶液。
步骤S130，将上述混合溶液过滤，将固体物干燥，然后在惰性气体的环境下，以10℃/分的速度升温至1000～1200℃，保温10～30分钟，冷却至室温，得到石墨烯-碳纳米管复合材料。
优选的，将固体物放置在真空干燥箱中以50～60℃干燥2小时，然后将该固体物放入通有氮气或氩气组成的惰性气体的管式炉中，以10℃/分的速度缓慢升温，在1000～1200℃保温10～30分钟，使氧化石墨热还原剥离形成石墨烯，冷却至室温，最后形成石墨烯-碳纳米管复合材料。
为了进一步获得纯度更高的石墨烯-碳纳米管复合材料，还可包括：
步骤S140，在氢气气氛下，将所述石墨烯-碳纳米管复合材料加热至1000～1200℃，保温30～60分钟，冷却至室温，得到纯化的石墨烯-碳纳米管复合材料。
优选的，向上述管式炉中以60mL/min的流量通入氢气5～10min，将原来的惰性气体排出。然后将管式炉的温度升高至1000～1200℃，并在此温度下保温30～60min，进行还原反应，使S130中部分未被完全还原的氧化石墨还原成石墨烯，同时消除材料内部缺陷。反应完毕后，将复合材料在氢气气氛下冷却至室温，得到进一步纯化的石墨烯-碳纳米管复合材料。可以理解，步骤S140也可省略。
上述制备方法具有如下优点：
(1)通过将氧化石墨与碳纳米管溶解于水中超声搅拌，在通过热还原石墨烯。可更好地将碳纳米管***石墨烯片层之间，更好地发挥性能互补的效果。
(2)在热还原之后再通入氢气加热进行二次还原，可进一步使石墨烯纯化，降低石墨烯中氧原子的含量，提高石墨烯电极材料的耐压程度。
(3)在还原石墨烯的过程中采用热还原和氢气还原的方法，在提高纯度的同时，避免使用水合肼等有毒害试剂，使得该方法经济环保。
以下以具体实施例来说明。以下所有试剂为分析纯。
实施例1
(1)提供纯度为99.5％的天然鳞片石墨。
(2)通过改进的Hummers法制备氧化石墨。其具体步骤为将20g 50目石墨粉、10g过硫酸钾和10g五氧化二磷加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥。将干燥后的样品加入0℃、230mL的浓硫酸中，再加入60g高锰酸钾，混合物的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持2h后，缓慢加入920mL去离子水，控制温度在98℃以下，维持15min后，再加入2.8L去离子水(其中含有50mL浓度为30％的双氧水)，之后混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h即得到氧化石墨。
(3)将(2)中的氧化石墨与酸处理过的碳纳米管以1∶1的比例加入水中，超声20min，室温搅拌60min，得到均匀分散的氧化石墨烯，碳纳米管溶液。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70℃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，用0.2μm孔径的聚乙烯微孔滤膜抽滤，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)。
(4)将(3)所得的溶液进行过滤，在真空干燥箱中以50℃干燥5h，将最终粉末放入通有惰性气体的管式炉中以10℃/min缓慢速度升温至1000℃加热30min，得到还原之后的石墨烯-碳纳米管复合材料。
(5)将(4)中的粉末随炉冷却至室温，先向管式炉中通入氢气5min，控制氢气的流量在60ml/min，将管式炉中的惰性气体排出，然后将温度升温至1000℃，在此温度下保持加热60min，还原完毕后，在氢气气氛下冷却至室温，得到进一步纯化的石墨烯-碳纳米管复合材料。
实施例2
(1)提供纯度为99.5％的天然鳞片石墨。
(2)通过改进的Hummers法制备氧化石墨。其具体步骤为将20g 50目石墨粉、10g过硫酸钾和10g五氧化二磷加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥。将干燥后的样品加入0℃、230mL的浓硫酸中，再加入60g高锰酸钾，混合物的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持2h后，缓慢加入920mL去离子水，控制温度在98℃以下，维持15min后，再加入2.8L去离子水(其中含有50mL浓度为30％的双氧水)，之后混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h即得到氧化石墨烯。
(3)将(2)中的氧化石墨与酸处理过的碳纳米管以1∶1的比例加入水中，超声30min，室温搅拌30min，得到均匀分散的氧化石墨烯，碳纳米管溶液。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80ml，浓硝酸20ml，超声分散40min，在80℃的油浴中回流2h，将溶液用蒸馏水稀释，去除上层清液，反复冲洗数次，用0.3μm孔径的聚乙烯微孔滤膜抽滤，水洗至中性，真空干燥箱干燥，得到酸处理的MWNTs。
(4)将(3)所得的溶液进行过滤，在真空干燥箱中以50℃干燥7h，将最终粉末放入通有惰性气体的管式炉中以10℃/min缓慢速度升温至1200℃加热10min，得到还原之后的石墨烯复合碳纳米管。
(5)高纯度石墨烯复合碳纳米管材料：将(4)中的粉末随炉冷却至室温，先向管式炉中通入氢气5min，控制氢气的流量在60ml/min，将管式炉中的惰性气体排出，然后将温度升温至1000℃，在此温度下保持加热60min，还原完毕后，在氢气气氛下冷却至室温，得到进一步纯化的石墨烯复合碳纳米管。
实施例3
(1)提供纯度为99.5％的天然鳞片石墨。
(2)通过改进的Hummers法制备氧化石墨。其具体步骤为将20g 50目石墨粉、10g过硫酸钾和10g五氧化二磷加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥。将干燥后的样品加入0℃、230mL的浓硫酸中，再加入60g高锰酸钾，混合物的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持2h后，缓慢加入920mL去离子水，控制温度在98℃以下，维持。15min后，再加入2.8L去离子水(其中含有50mL浓度为30％的双氧水)，之后混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h即得到氧化石墨烯。
(3)将(2)中的氧化石墨与酸处理过的碳纳米管以2∶1的比例加入水中，超声30min，室温搅拌30min，得到均匀分散的氧化石墨烯，碳纳米管溶液。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90ml，浓硝酸20ml，超声分散50min，在80℃的油浴中回流3h，将溶液用蒸馏水稀释，去除上层清液，反复冲洗数次，用0.4μm孔径的聚乙烯微孔滤膜抽滤，水洗至中性，真空干燥箱干燥，得到酸处理的MWNTs。
(4)将(3)所得的溶液进行过滤，在真空干燥箱中以50℃干燥9h，将最终粉末放入通有惰性气体的管式炉中以10℃/min缓慢速度升温至1000℃加热30min，得到还原之后的石墨烯-碳纳米管复合材料。
(5)高纯度石墨烯复合碳纳米管材料：将(4)中的粉末随炉冷却至室温，先向管式炉中通入氢气5min，控制氢气的流量在60ml/min，将管式炉中的惰性气体排出，然后将温度升温至1200℃，在此温度下保持加热30min，还原完毕后，在氢气气氛下冷却至室温，得到进一步纯化的石墨烯-碳纳米管复合材料。
实施例4
(1)提供纯度为99.5％的天然鳞片石墨。
(2)通过改进的Hummers法制备氧化石墨。其具体步骤为将20g 50目石墨粉、10g过硫酸钾和10g五氧化二磷加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥。将干燥后的样品加入0℃、230mL的浓硫酸中，再加入60g高锰酸钾，混合物的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持2h后，缓慢加入920ml去离子水。15min后，再加入2.8L去离子水(其中含有50ml浓度为30％的双氧水)，之后混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h即得到氧化石墨烯。
(3)将(2)中的氧化石墨与酸处理过的碳纳米管以2∶1的比例加入水中，超声40min，室温搅拌30min，得到均匀分散的氧化石墨烯，碳纳米管溶液。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100ml，浓硝酸20ml，超声分散1h，在90℃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，用0.5μm孔径的聚乙烯微孔滤膜抽滤，水洗至中性，真空干燥箱干燥，得到酸处理的MWNTs。
(4)将(3)所得的溶液进行过滤，在真空干燥箱中以60℃干燥10h，将最终粉末放入通有惰性气体的管式炉中以10℃/min缓慢速度升温至1200℃加热20min，得到还原之后的石墨烯-碳纳米管复合材料。
(5)将(4)中的粉末随炉冷却至室温，先向管式炉中通入氢气5min，控制氢气的流量在60ml/min，将管式炉中的惰性气体排出，然后将温度升温至1200℃，在此温度下保持加热30min，还原完毕后，在氢气气氛下冷却至室温，得到进一步纯化的石墨烯-碳纳米管复合材料。
请参阅图2，所示为实施例1中经酸处理过的碳纳米管的扫描电子显微镜(SEM)照片。由图2可知，碳纳米管本身存在很明显的团聚现象。
请参阅图3，所示为实施例1中石墨烯-碳纳米管复合材料的SEM照片。由图3可知，石墨烯-碳纳米管复合材料中的石墨烯被碳纳米管很均匀的隔离开，没有发生叠层或者团聚的现象。
请参阅表1，所示为各实施例经过氢气还原前和还原后的氧原子含量。
测试条件：测试在PHI15300X射线光电子能谱仪上进行，以Mg Kα(hv＝1253.6eV)为激发源，功率为240W。
表1石墨烯-碳纳米管复合材料中氧原子含量
由表1可知，经过氢气还原后，石墨烯-碳纳米管复合材料的氧原子含量大幅下降，说明之前未被完全还原的氧化石墨已被还原成石墨烯，纯度有较大提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

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：
步骤一、将氧化石墨和经酸处理过的碳纳米管加入水中，超声震荡，搅拌，得到均匀分散的混合溶液；
步骤二、将所述混合溶液过滤，将固体物干燥，然后在惰性气体的环境下，以10℃/分的速度升温至1000～1200℃，保温10～30分钟，冷却至室温，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：所述氧化石墨和经酸处理过的碳纳米管的质量比为1∶1～2∶1。
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，步骤二之后还包括对所述石墨烯-碳纳米管复合材料进一步纯化的步骤：
在氢气气氛下，将所述石墨烯-碳纳米管复合材料加热至1000～1200℃，保温30～60分钟，冷却至室温，得到纯化的石墨烯-碳纳米管复合材料。
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：步骤一中超声震荡的时间为20～40分钟，搅拌的时间为30～60分钟。
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：步骤二中干燥的温度为50～60℃，干燥时间为5～10小时。
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：步骤一中所述氧化石墨通过如下方法制备，
将石墨、过硫酸钾和五氧化二磷按照质量比2～10∶1∶1加入到80～120℃的浓硫酸中，搅拌均匀后自然冷却，洗涤至中性后干燥，得到预氧化石墨；
将所述预氧化石墨缓慢加入到浓硫酸中，保持混合溶液的温度在20℃以下缓慢加入高锰酸钾，然后在25～35℃下油浴1～3小时，加入去离子水，控制温度在98℃以下，维持15分钟，然后加入去离子水和双氧水溶液，抽滤、收集固体；及
所述固体用稀盐酸洗涤，干燥，得到所述氧化石墨。
7.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，所述经酸处理过的碳纳米管通过如下方法制备：
将碳纳米管加入到浓硫酸和浓硝酸组成的混合酸液中，超声分散30分钟～1小时，在70℃～90℃下反应1～3小时；用蒸馏水稀释溶液，去除上层清液，清洗，抽滤，取固体水洗至中性，干燥，得到所述经酸处理过的碳纳米管。
8.根据权利要求7所述的石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：所述抽滤使用的是孔径为0.2μm～0.5μm的聚乙烯微孔滤膜。
9.根据权利要求7所述的石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：所述混合酸液中，浓硫酸与浓硝酸的体积比为3～5∶1。
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