[发明专利]三维连续石墨烯网络复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及一种三维连续石墨烯网络复合材料的制备方法，所述三维连续石墨烯网络复合材料主要用于太阳能电池、储能电池、散热、防静电领域。

背景技术

石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，它是构建其它维数碳基材料(0D的富勒烯，1D的碳纳米管和3D的石墨)的基本单元。石墨烯独特的晶体结构使其具有优异性质，如高热导性、高机械强度、奇特的电学性质和光学性质。因此，石墨烯在场发射、电极材料、复合功能材料等领域具有广阔的应用前景。

高分子材料一般具有容易成型等优点，但通常为绝缘材料，因而限制了它在许多方面的应用。为使其成为导体或半导体，可采用添加导电填料的方法。使用石墨烯作为高分子材料的导电添加剂，由于石墨烯极高的电子迁移率和优异的电学性质，只需添加少量即可达到导电要求。此外，如果将制备出微米或纳米石墨烯三维骨架作为填料不仅可以进一步提高复合材料的导电性质，而且还能赋予复合材料许多独特的特性。如：由于石墨烯的骨架结构具有超强高分子材料力学性质。另外，石墨烯骨架可提高复合材料的导热性能，应用到半导体工业作为良好的散热材料。同时，石墨烯骨架与导电高分子材料复合作为电极材料应用到锂电池和超级电容器等领域。

目前尝试了将石墨烯三维骨架和高分子材料复合[Zongping Chen，Wencai Ren，Libo Gao，Bilu Liu，Songfeng Pei，Hui-Ming Cheng，Nature Materials，2011，DOI：10.1038/NMAT3001]，但所用石墨烯层数无法控制，特别是少数层石墨烯的三维骨架。此外，所用三维骨架采用有机溶剂去除支撑材料过程中，三维骨架很难完好保留，制备工艺复杂，无法与高分子材料有机复合，这将严重影响三维石墨烯骨架复合材料的综合性能。

发明内容

为了改善复合导电材料导电性能并简化工艺，本发明提出一种三维连续石墨烯网络复合材料的制备方法，以三维连续孔结构的金属模板为催化剂，利用化学气相沉积法宏量制备三维连续石墨烯骨架；将该石墨烯骨架与高分材料有机结合制备三维石墨烯网络结构复合材料。本发明无需去除骨架支撑体，可获得层数可控、骨架完整的石墨烯三维网络复合材料，该复合材料制备工艺简单，过程易控制，导电性能优异，制备成本低，适合于太阳能电池、储能电池、散热、防静电领域。

本发明一方面提供一种三维连续石墨烯网络复合材料的制备方法，其特征在于：所述石墨烯网络复合材料是由石墨烯和高分子材料组成，所述方法包括：

(1)以三维连续孔结构的金属模板为催化剂，放入化学气相沉积反应室，加热至反应温度400-1000℃，恒温0-60分钟后，导入碳源、氢气和保护气，气体流量为1-1000sccm，反应时间1-60分钟，反应完毕后冷却至室温，优选控制降温速率为10-300℃/分钟；

(2)将步骤(1)获得的石墨烯三维网络结构放入溶液(什么溶液？)中，在表面上沉积骨架材料；

(3)经烘干固化后，放入刻蚀液中，去除金属模板催化剂；

(4)用去离子水洗涤，获得三维连续的石墨烯骨架复合结构；

(5)将三维石墨烯骨架复合结构置于高分子溶液中浸泡分散1-48小时，在空气、氮气、氩气或氢氩混合气氛下固化，固化温度为100-400℃，固化时间为10-200分钟。

在本发明一个实施方式中，所述高分子材料选自聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、酚醛树脂、聚酰胺树脂和橡胶树脂，石墨烯在高分子材料中的质量分数为0.1％-10％。

在本发明一个实施方式中，步骤(1)中采用的三维连续孔结构的金属模板为市售泡沫铁、泡沫铜、泡沫钴、泡沫镍和泡沫钌，面密度为100-3000g/m²，孔数为10-300，厚度为0.5-50mm。

在本发明一个实施方式中，步骤(1)中化学气相沉积所采用的碳源包括：气态碳源，液态碳源和固态碳源；所述保护气包括：氮气、氩气、氦气以及它们的混合气。所述气态碳源选自甲烷、乙烯、乙炔、乙烷、丙烷以及它们的混合气；所述液态碳源选自甲醇、乙醇、丙醇以及它们的混合液体；以及所述固态碳源选自聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷。

在本发明一个实施方式中，步骤(3)中所述刻蚀液为盐酸、硫酸、硝酸、三氯化铁以及它们的混合溶液，刻蚀温度为30-80℃，刻蚀时间为20-800分钟。