[发明专利]三维网络结构复合材料、制备方法及应用

说明书

 

技术领域

本发明涉及三维网络结构材料，尤其涉及一种三维网络结构复合材料、制备方法及应用。

背景技术

三维网络结构，是一种三维空间的互相结合盘绕的网络状的结构。近几年来，碳材料、金属及其复合材料已被应用于制备三维网络结构，使其具有高耐磨性、高断裂强度、高比强度和可控制的电热性能等特点，在航天航空、汽车、电子、机械制造等领域展示了广泛的应用前景。

自2004年发现石墨烯以来，石墨烯因其优异的电子传输性能、高导电导热性能和优异的机械性能，被认为是未来的“明星材料”，在许多领域得到广泛的应用。目前，利用化学氧化法可实现石墨烯的大批量制备，在此基础上，石墨烯纸和还原石墨烯膜已被制备，并应用在能源存储、透明电极、机械驱动器等领域。但是，要扩大石墨烯的应用还需要将其组装成各种宏观结构。

导电聚合物，又称导电高分子，是通过元素掺杂等手段使其电导率能够在半导体和导体范围内变化的聚合物，通常指本征导电聚合物。这类聚合物主链上含有交替的单键和双键，从而形成了大的共轭π体系，π电子的流动产生了导电的可能性。导电聚合物本身所具有的大分子链使其力学性能也明显优于其它结构。

石墨烯是一种零带隙半导体材料。纯石墨烯没有光电活性，但通过其它半导体纳米材料的功能化处理，可以诱生石墨烯的半导体性质，并在其系统中实现能量和电子转移。由于石墨烯是一种二维薄膜材料，因此可作为理想的二维载体去设计能量和电子转移的杂化排列。石墨烯与半导体纳米材料的复合已被广泛应用于光电催化和太阳能电池领域。

一般来说，将石墨烯组装成具有三维网络结构的大孔材料可大大增加其比表面积，在实际应用中具有重要的意义和价值。目前，制备三维网络结构石墨烯的方法主要有凝胶法、溶液自组装法、流延成型法和溶剂热反应法。

（一）凝胶法

凝胶法是一种简洁方便的制备方法，是利用DNA、蛋白质、聚合物和金属离子等作为调节氧化石墨烯内部各基团之间相互作用的交联剂，把氧化石墨烯和交联剂的混合物通过超声振动，使其均匀分散在水中，最后获得石墨烯的三维网络结构。但该方法存在缺点：原料成本较高，存在残留的小孔洞，反应时间较长，且有机溶剂对人体有一定的危害性。

（二）溶液自组装法

溶液自组装法主要是通过化学修饰的石墨烯衍生物在溶液中进行自组装的一种方法。石墨烯的衍生物由于具有丰富的官能团，其在水溶液中展现出各种各样的组装能力。该方法利用聚合物和石墨烯通过共价键进行交互连接，形成具有三维网络结构的石墨烯复合水凝胶，其优点是所制备的三维网络结构具有优良的机械强度。但是这种方法尚不成熟，还未找到高度有序的自组装体系。

（三）流延成型法

这是一种用于传统陶瓷的制备工艺，目前也被用于制备具有三维网络结构的石墨烯带。这种方法是先将化学修饰的石墨烯与表面活性剂放入溶液中进行超声振动混合，然后以聚合物作为粘结剂加入到混合物当中，形成悬浮物；进一步将其涂覆在玻璃基体上，用刮刀控制悬浮物的厚度；蒸发溶液，粘结剂在化学修饰的石墨烯间就形成了三维网络结构；最后剥离复合物形成复合物带，热解复合物带，即得到具有三维网络结构的石墨烯带。

该方法的优点是：制备的石墨烯三维网络结构具有高比表面积、低密度、高导电率和高拉伸强度等优异性能；并且价格低廉，无毒。存在的缺点是：蒸发速度低，所需粘结剂浓度高，悬浮物对参数变化敏感等。

（四）溶剂热反应法

该方法是利用氧化石墨烯与酸或金属化合物在有机溶剂中进行溶剂热反应，制备出以芳香酯或金属化合物为支撑物、氧化石墨烯为结构单元的三维网络结构。该方法制备出来的氧化石墨烯三维网络结构形状可依据支撑物的大小和反应温度可调。该方法的优点是：制备成本低廉和环境友好。存在的缺点是：产率较低，产品纯度不够，并且在产品尺寸和形貌的均一程度上不尽如人意。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的三维网络结构复合材料，以扩大三维网络结构材料的应用领域。

本发明的另一目的是提供上述三维网络结构复合材料的制备方法。

本发明的再一目的是提供上述三维网络结构复合材料的应用。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

（一）三维网络结构复合材料，由石墨烯、导电聚合物和无机半导体纳米材料组成。

为了获得具有良好力学性能和导电性能的三维网络结构复合材料，上述石墨烯、导电聚合物和无机半导体纳米材料的质量比必须为（1~50）：（40~2000）：（10~2000）。