[发明专利]一种三维多孔结构的石墨烯基纳米复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维多孔结构的石墨烯基纳米复合材料的制备方法，属于纳米复合材料技术领域。

背景技术

二维结构的石墨烯具有高热导性、高机械强度、优异的电子传导性能，石墨烯基纳米复合材料在锂离子电池、超级电容器、催化等领域有重要的应用价值。石墨烯单独存在时易堆叠成石墨，纳米颗粒单独存在时倾向于团聚成大颗粒，通过将石墨烯与纳米颗粒复合制备石墨烯基纳米复合材料可以减轻石墨烯间的团聚及纳米颗粒间的团聚。尽管石墨烯基纳米复合材料中的石墨烯能一定程度上减轻纳米颗粒的团聚现象，但纳米颗粒未被固定在石墨烯上，同一片石墨烯上的纳米颗粒仍会团聚成大颗粒。

目前，人们试图通过碳包覆石墨烯基纳米复合材料来解决这一问题。具体做法是首先制备石墨烯基纳米复合材料，然后通过化学气相沉积或水热碳包覆得到碳包覆的石墨烯基纳米复合材料。由于目前报道的制备方法均以石墨烯基纳米复合材料为原料，而石墨烯基纳米复合材料本身就存在同一片石墨烯上纳米颗粒团聚问题，因此以石墨烯基纳米复合材料为原料制备碳包覆的石墨烯基纳米复合材料不能从根本上解决纳米颗粒团聚问题，得到的碳包覆石墨烯基纳米复合材料仍存在纳米颗粒在碳基质中分布不均匀问题。此外，碳包覆过程碳不仅包覆在纳米颗粒上，也会沉积在石墨烯上，会一定程度上影响石墨烯组分的物理化学性能，进而影响复合材料的性能。更为重要的是，碳包覆的石墨烯基纳米复合材料中石墨烯未直接相连，未充分利用石墨烯高导电性的优点。

发明内容

针对现有制备方法的上述问题，本发明的目的是提供一种三维多孔结构的石墨烯基纳米复合材料的制备方法。该制备方法可以避免纳米颗粒团聚问题，制备的复合材料不仅具有多孔结构，还具有由石墨烯和碳壳构筑成的三维碳网络结构，在锂离子电池、超级电容器及催化领域具有很好的应用前景。

本发明的三维多孔结构的石墨烯基纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将纳米颗粒超声分散到单糖、二糖或多糖的水溶液中，得到分散液；

（2）将步骤（1）得到分散液在100～200℃下水热反应3～12 h，冷却、经过离心分离、洗涤得到碳前驱体包覆的纳米氧化物；

（3）将碳前驱体包覆的纳米氧化物超声分散至浓度为1～5mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，得到分散液；

（4）将步骤（3）中得到的分散液在100～200℃下水热反应3～12 h，经冷冻干燥后即得到三维多孔石墨烯基纳米复合材料前驱体；

（5）将三维多孔石墨烯基纳米复合材料前驱体在惰性气氛或还原性气氛下在温度350～900℃热处理2～12小时，得到三维多孔石墨烯基纳米复合材料。

所述纳米颗粒包括纳米氧化物和纳米金属颗粒，例如SnO₂、SiO₂、TiO₂、Pt、Au。

所述纳米颗粒与单糖、二糖或多糖的质量比为1：1～10，单糖、二糖或多糖的水溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。

所述步骤（1）中超声分散时间为1～10 h，步骤（3）中超声分散时间为1～10 h。

所述步骤（4）中是将碳前驱体包覆的纳米颗粒与氧化石墨烯水热自组装得到三维多孔石墨烯基纳米复合材料前驱体，然后通过冷冻干燥去除水分并保持其结构形貌， 冷冻干燥时间为12～48 h，干燥温度为?45～?25℃。

所述三维多孔石墨烯基纳米复合材料碳含量为10～60 wt%。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明方法可以避免制备过程纳米颗粒团聚，得到的复合材料纳米颗粒在碳基质中分布均匀；

（2）本发明方法制备的纳米复合材料具有多孔结构，且石墨烯与碳壳共同构筑成了三维碳网络结构，因而该材料具有广泛的应用前景，可用于锂离子电池、超级电容器、催化等领域；

（3）本发明方法通过碳壳将纳米颗粒固定在石墨烯上，碳壳和石墨烯共同构筑成三维多孔结构，可通过改变糖溶液浓度及氧化石墨烯浓度调节复合材料孔径大小及分布，以满足不同的应用领域。

附图说明

图1是本发明实施方式一中SnO₂@C/石墨烯纳米复合材料的X射线衍射图谱；

图2是本发明实施方式二中Sn@C/石墨烯纳米复合材料的X射线衍射图谱；

图3是本发明实施方式一中SnO₂@C/石墨烯纳米复合材料的透射电镜图；

图4是本发明实施方式一中SnO₂@C/石墨烯纳米复合材料的透射电镜图