[发明专利]一种石墨烯/纳米碳颗粒复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料领域，尤其涉及一种石墨烯/纳米碳颗粒复合材料的制备方法，以及所述石墨烯/纳米碳颗粒复合材料在超级电容器中的应用。

背景技术

自从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以来，由于其独特的结构和光电性质，石墨烯材料受到了广泛的重视。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。其具有如下性能：(1)高强度，杨氏模量(1,100GPa)，断裂强度(125GPa)；(2)高热导率(5,000W/mK)；(3)高导电性、高载流子传输率(200,000cm²/V·s)；(4)高比表面积(理论计算值：2,630m²/g)。尤其是由于其高导电性、大的比表面积及其单分子层的二维纳米尺度的结构性质，石墨烯材料可在超级电容器和锂离子电池中用作电极材料。到目前为止，制备石墨烯的方法有许多种，其中氧化-还原法是一种能够大量制备石墨烯且产率较高的方法，整个过程涉及到将石墨氧化成氧化石墨，氧化石墨再进一步在外力作用下剥落产生氧化石墨烯，再化学或热还原为石墨烯。化学还原是一种较为简单的还原石墨烯的方法，其有利于石墨烯与其它物质的复合。但是，还原后的石墨烯很容易团聚，导致一些功能的丧失，同时也难以加工，不利于产业化。

石墨烯的研究已经成为目前材料的研究热点，石墨烯也是碳材料的一种，在很多方面与碳材料有相同的性质，但同时它又以二维结构存在，因此具有独特的性质。石墨烯和纳米碳颗粒的应用都特别广泛。基于以上原因，为了发挥这两种不同材料的优势，我们提出了一种新型石墨烯/纳米碳颗粒材料的制备方法。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种负载有碳纳米颗粒的石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将石墨氧化以制备氧化石墨烯，将所得氧化石墨烯添加至水中制得悬浮液；

2)将纳米碳颗粒添加至表面活性剂的水溶液中以获得纳米碳颗粒的悬浮液；

3)将氧化石墨烯悬浮液与纳米碳颗粒悬浮液混合，得到氧化石墨烯/纳米碳颗粒的均匀混合悬浮液；

4)将步骤3)中所得的混合悬浮液喷雾干燥，得到粉末；

5)对步骤4)中所得的粉末进行还原处理，还原完毕后，在还原气氛下冷却至室温，清洗并干燥，从而最终制得负载有碳纳米颗粒的石墨烯复合材料。

本发明所用的石墨原料可为石墨片如天然鳞片石墨、石墨粉、科琴黑等。

应理解的是，本发明中的“纳米碳颗粒”并非特指球状颗粒，而是指除石墨烯之外具有纳米尺寸的其他碳材料。具体而言，本发明所用的纳米碳颗粒可为碳60、碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纳米管、碳纳米纤维或其组合。所述纳米碳颗粒的尺寸为2-100nm，优选为10-80nm，更优选为20-60nm，最优选为20-50nm；在球状碳颗粒的情况下，所述尺寸是指平均直径；在片状碳的情况下，所述尺寸是指平均厚度；在碳纳米纤维的情况下，所述尺寸是指纤维的直径；在其他形状的情况下，是指该材料表面上任意两点之间的最长的直线距离。

通过氧化石墨而制备氧化石墨烯的方法为改进的Hummers法，其是本领域技术人员所公知的，例如可参见JACS，1958，80，1339。

用于分散纳米碳颗粒的表面活性剂可为任何能均匀分散碳纳米粒子与氧化石墨烯，使其混合均匀，并且可在高温后水洗除去的表面活性剂，包括但不限于阴离子型表面活性剂，阳离子型表面活性剂，两性离子型表面活性剂，非离子型表面活性剂以及特种表面活性剂，其中阴离子型表面活性剂为：硫酸盐型、羧酸盐型、磺酸盐型以及磷酸盐型等；其中阳离子型表面活性剂为：季铵盐型、咪唑盐型以及吡啶盐型等；其中两性离子型表面活性剂为：氨基酸型、甜菜碱型、以及吡唑啉型等；其中非离子型表面活性剂为：聚氧乙烯、烷基酰醇胺、失水山梨醇脂肪酸酯、氧化胺、烷基糖苷等。特种表面活性剂包含氟碳类表面活性剂(如：C₂F₅(OCF₂CF(CF₃))₂OC₂F₄SO₃Na)，含硅的表面活性剂以及Gemini表面活性剂等。表面活性剂的用量通常为0.001-30g/L，优选为0.01-10g/L，最优选为0.1-5g/L。

所述纳米碳颗粒的用量为1-50%，优选为1-20%，最优选为5-15%，基于氧化石墨烯的质量。