[发明专利]基于纳米石墨片的碳/碳复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种纳米材料，特别是一种碳/碳复合材料。本发明还涉及一种纳米复合材料的制备方法。

背景技术

纳米石墨片是由一层或多层石墨烯组成的厚度为纳米级的纳米石墨材料，由于具有优异的导电性、导热性及力学性能，在纳米器件、导热、导电及储能领域有着巨大的潜在应用价值。例如，Vivekchand等人(V ivekchand SRC，Rout CS，Subrahmanyam KS，et al.Graphene-based electrochemical supercapacitors.J.Chem.Sci.，2008，120(1)：9-13)将氧化石墨片还原制备了厚度约为5nm的化学改性的纳米石墨片材料，研究了其电化学存储性能。结果发现这种材料导电性特别好，作为电极材料内阻小，其在水性和有机电解液中的比容量分别为135和99F/g，其在水性电解液中的存储量(19.14μF/cm²)非常接近理论值(石墨表面的理论存储量为20μF/cm²)。但是，由于纳米石墨片比表面能比较大，在制备的过程中非常容易聚集，导致其比表面积(＜1000m²/g)远低于理论值(2600m²/g)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不仅比表面积高而且导电性好，可以应用于电极材料、催化、储氢、储能以及环保等领域的基于纳米石墨片的碳/碳复合材料。本发明的目的还在于提供基于纳米石墨片的碳/碳复合材料的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于纳米石墨片的碳/碳复合材料由纳米石墨片与均匀附着在纳米石墨片表面的热解碳组成，纳米石墨片与热解碳的重量比为1∶0.1～50。

所述纳米石墨片的径厚比大于20、厚度小于50nm，所述附着在纳米石墨片表面的热解碳是无定形碳或纳米结晶碳。

本发明的基于纳米石墨片的碳/碳复合材料的一种制备方法为：

(1)纳米石墨片/高分子复合粉体的制备：

将膨胀倍率为200～300的膨胀石墨或200～300目的天然石墨与树脂和分散剂和溶剂按重量比为1∶1～20∶0～10∶50～100的比例混合，通过超声或球磨分散2～50h，制备纳米石墨片分散液，然后用与溶剂重量比为10～20∶1的沉淀剂将均匀分散的纳米石墨片和树脂高分子沉淀出来，并充分洗涤烘干后即制备纳米石墨片/高分子复合粉体；

(2)预氧化：将步骤(1)所得纳米石墨片/高分子复合粉体于200～300℃空气中预氧化0.5～3h；

(3)碳化：将步骤(2)所得产物于氮气或氩气保护下以5～30℃的升温速率升温至500～1000℃碳化0.5～5h。

(4)活化：将步骤(3)所得产物按照重量比1∶0.1～0.5的比例加入到浓度为10～30wt％活化剂溶液中，充分混合均匀后室温浸渍4～24h，然后于120～150℃加热4～8h烘干后在氮气或氩气保护下以5～30℃/min的升温速率升至600～1000℃活化0.5～4h，冷却至室温后充分水洗并干燥即得所需的基于纳米石墨片的高比表面积碳/碳复合材料。

其中步骤(1)中所述的树脂为聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯和丙烯酸衍生物的共聚物等中的任意一种；所述的分散剂为常用的与树脂配伍的商业分散剂如BYK-163、BYK-250、BYK-161、BYK-162等(德国BYK公司生产)；所述的溶剂为苯、丙酮等能溶解树脂的溶剂；所述的沉淀剂为乙醇、丙醇、水等能将树脂沉淀下来的沉淀剂。

其中步骤(4)所述的活化剂为ZnCl₂、KOH、NaOH、K₂CO₃、Na₂CO₃、H₃PO₄等中的任意一种。

本发明的基于纳米石墨片的碳/碳复合材料的另一种制备方法为：

(1)纳米石墨片/高分子复合粉体的制备：