[发明专利]石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料，具体涉及一种石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法。属于功能材料技术领域。

背景技术

碳纳米管作为典型的一维量子碳材料具有特殊结构，它主要由呈六边形排列的碳原子构成的中空同轴圆管，因为碳纳米管局部区域出现凸凹导致其结构并非完全笔直的，而呈现一定的弯曲。管径分布一般保持在十几到几十纳米，长度分布在微米级。而石墨烯作为单层二维晶体，其中碳原子也是以sp2混成轨域排列构成的故可将碳纳米管可看成石墨烯卷曲而成。二者都具高导电、大的比表面积、以及良好机械性能，具有广泛的应用。

碳纳米管制备方法多种多样，其中以石墨为原料的方法主要是：激光烧蚀法和电弧放电法。碳纳米管是由日本物理学家饭岛澄男在1991年从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现。(s.lijima,nature 354,56(1991))，其中电弧放电法是所有制备碳纳米管中最主要方法。

而上述制备方法存在实验条件苛刻、制备工艺复杂和实验成本过高等不足。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种定量可控的石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，本发明首先以石墨粉为原料，采用改进后的Hummers法获得氧化石墨烯，再以氧化石墨烯为原材料，氢氧化镍作为反应位点合成碳纳米管，最终制备石墨烯/碳纳米管复合材料。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，操作步骤如下：(1)天然石墨粉经氧化反应制备氧化石墨烯；(2)氧化石墨烯与六水合硝酸镍、六次甲基四胺经超声水热反应，制备石墨烯/碳纳米管复合材料。

所述步骤(1)操作步骤如下：在烧杯中加入3g石墨粉和2g硝酸钠，沿着杯壁缓慢加入浓硫酸70mL并不断搅拌；在冰浴条件下，将30g高锰酸钾固体粉末均分五次加入到烧杯中，持续搅拌1h；在35℃水浴中继续搅拌2h，得到混合溶液；将140mL去离子水缓慢加入到溶液中并不断搅拌15min，随后体系温度上升到95℃左右，继续搅拌3h；滴加体积分数为30％的H2O2直至溶液变为亮黄色；将反应液趁热过滤，并用稀盐酸进行洗涤，除去多余的金属离子；通过离心洗涤冷冻干燥，制得氧化石墨烯。

所述步骤(2)操作步骤如下：取氧化石墨烯和去离子水加入到烧杯中超声分散1-2h，然后加入Ni(NO3)2·6H2O和六次甲基四胺(HMTA)充分搅拌均匀；溶液转移到100mL反应釜中恒温反应；反应结束，加入过量的浓度为1mol/L盐酸处理溶解氢氧化镍，抽滤后取黑色固体，经洗涤真空干燥，得到石墨烯/碳纳米管复合材料。

所述步骤(1)干燥时间24～72h，真空度8-10pa，温度：-10--50℃。

所述步骤(2)中氧化石墨烯、Ni(NO3)2·6H2O、HMTA和蒸馏水的质量摩尔体积比：65～100mg：3～8mmol：3～8mmol：65～190mL。

所述步骤(2)恒温反应的反应温度为90～110℃，反应时间3～4.5h。

所述洗涤是用蒸馏水将所得产物洗涤至pH呈中性，

所述步骤(2)真空干燥的真空度：0.06MPa-0.085Mpa；温度：45-65℃时间：1.5-3.5h。

所述步骤(2)制备的复合材料中碳纳米管为多壁碳纳米管，管径为15-20nm，层间距为0.34nm。

石墨烯/多壁碳纳米管复合材料，是按照权利要求1-8中任一项所述制备方法制备得到的。

本发明的作用机理：弱碱六次甲基四胺溶于水使得溶液体现弱碱性，镍离子在弱碱环境下反应生成氢氧化镍。氢氧化镍的生长具有各向异性，在各个方向上生成直径约为几个纳米，而长度在微米级的棒状物质，在其生长过程中部分氧化石墨烯片材包覆氢氧化镍，以氢氧化镍为反应位点卷曲而成碳纳米管，随着氢氧化镍不断地生长，游离的石墨烯片材不断补充到氢氧化镍表面，使得碳纳米管的长度得到增加。反应结束后通过酸处理使氢氧化镍全部溶解，而碳纳米管和石墨烯结构不受影响，再通过抽滤就可达到固液完全分离，最终获得石墨烯/碳纳米管复合材料。

本发明的有益效果：

1、本发明提出了一种以氧化石墨烯为原料制备碳纳米管，最终处理得到石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法，为石墨烯制备碳纳米管提供新途径。

2、本发明制备的复合材料中，所制备的碳纳米管分散均匀，提高了石墨烯/碳纳米管复合均匀性，且所制备的碳纳米管参数可控。