[发明专利]碳纳米纸及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种碳纳米纸及其制备方法和应用。该碳纳米纸包括依次层叠的两层或两层以上的功能层，所述功能层由碳纳米材料制备而成，各功能层中碳纳米材料的直径按照层叠顺序依次递增，且至少一层功能层中还包括沉积在所述碳纳米材料表面的金属或金属氧化物的纳米颗粒。该碳纳米纸具有比表面积大，导电性和透气性优异的特性，采用不同种类的金属制备不同系列的负载金属或金属氧化物纳米颗粒的碳纳米纸产品，结合金属纳米颗粒自身特性可将该碳纳米纸应用于各个领域。

技术领域

本发明涉及碳纳米材料领域，特别是涉及碳纳米纸及其制备方法和应用。

背景技术

碳纳米材料是碳纳米尺度的同素异形体，主要有碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、碳纳米角和富勒烯。碳纳米材料具有优异的电学、力学特性，以及呈纳米尺度、质量轻，在能源存储电极、催化剂载体、增强复合材料、吸波与电磁屏蔽材料、阻燃材料、微电子和过滤等领域具有广泛的用途。

碳纳米纸(又称巴基纸，Bucky paper)是一种由碳纳米材料(碳纳米管或碳纳米纤维)之间相互交联聚合形成的自支撑的纸状材料，它一方面保留了碳纳米材料高比表面积、导电性等特点；另一方面还具备宏观材料的可操作性。它可广泛应用于锂离子电池、燃料电池、吸波材料、高振动阻尼材料。其中在一些应用领域中，碳纳米纸通常需要在表面负载一些活性材料以提高其应用性能。特别是在锂离子电池、燃料电池的应用中负载其他活性材料尤为重要。

当粒子的尺寸达到纳米量级时称为纳米颗粒材料。纳米颗粒具有小尺度效应、量子尺度效应及表面效应等特性，使纳米颗粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同常规的块体材料。特别是金属或金属氧化物纳米颗粒具有比表面积大、表面活性高等特点，此外，金属纳米颗粒还表现出优良的电催化性能，可应用于燃料电池、化学传感器等领域。金属纳米颗粒特殊的性能是由其结构决定的，因此，金属或金属氧化物纳米颗粒的制备方法对其性能影响至关重要，现有的制备方法主要有：热分解法、还原法及光活化法等。

目前，研究者们已开发出碳纳米纸与纳米金属的复合材料，以期可以综合利用二者的性能优势，但该复合材料还是存在透气性和导电性不够理想的缺陷。

发明内容

基于此，有必要提供一种透气性和导电性优异的碳纳米纸。

一种碳纳米纸，包括依次层叠的两层或两层以上的功能层，所述功能层由碳纳米材料制备而成，各功能层中碳纳米材料的直径按照层叠顺序依次递增，且至少一层功能层中还包括沉积在所述碳纳米材料表面的金属或金属氧化物的纳米颗粒。

本发明所述碳纳米纸，以碳纳米材料(优选为碳纳米管和碳纤维)作为载体负载纳米颗粒制成：碳纳米材料之间相互交织形成具有孔隙的网状微结构的纸状材料，各层孔隙大小与该层碳纳米材料的直径成正比，通过选择不同直径的碳纳米材料，经多次成型方式制成直径依次递增(即孔隙的孔径依次递增)的多层结构，从而调节碳纳米纸的梯度孔隙结构，提高碳纳米纸的透气性金属或金属氧化物的纳米颗粒负载在碳纳米材料的表面，可充分利用碳纳米材料的大比表面积和发挥纳米颗粒高比表面积特性，以获得更大的活性面积，且碳纳米材料相互之间是由电子导通的，因此降低了该碳纳米纸本身的电阻，进而有效提高碳纳米纸的导电性能。

在其中一个实施例中，所述功能层的层数为2-4层，所述纳米颗粒沉积于所述碳纳米材料直径最小的功能层中。

在碳纳米材料直径最小的功能层中负载金属或金属氧化物的纳米颗粒，可使功能层中由碳纳米材料形成的孔隙及纳米颗粒的分布更为均匀，同时采用2-4层功能层的结构，可进一步优化该碳纳米纸的性能，促使碳纳米纸广泛应用于各个领域。

在其中一个实施例中，所述碳纳米材料为碳纳米管或碳纳米纤维，该碳纳米纸包括依次层叠的第一功能层、第二功能层和第三功能层，其中，