[发明专利]一种螺旋碳纳米管-石墨烯杂化物的制备方法及其应用

说明书

一种螺旋碳纳米管‑石墨烯杂化物的制备方法及其应用，属于新材料制备和应用技术领域。本发明解决了目前复合材料中螺旋碳纳米管自身存在的高缠绕、难分散等缺陷的问题，提供了一种螺旋碳纳米管‑石墨烯杂化物的制备方法，将催化剂活性组分负载在氧化石墨烯上，分离、活化、粉碎后制得含催化元素的石墨烯，通过化学气相沉积、纯化过程制得螺旋碳纳米管‑石墨烯杂化物，该杂化物由螺旋碳纳米管和石墨烯材料组成，螺旋碳纳米管分布在石墨烯片层上。本发明可用作力学材料、电学材料、热学材料、声学材料、光学材料。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯杂化物的制备方法及其应用，特别涉及一种螺旋碳纳米管-石墨烯杂化物的制备方法及其应用，属于新材料制备和应用技术领域。

背景技术

石墨烯是由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。全共轭片层排列的碳原子结构赋予了石墨烯优异的性能。石墨烯强度是已测试材料中最高的，达130Gpa，是钢的100多倍，且有非常高的电导率和热导率，分别达6000S/cm和5300W/m²/K，因此应用前景广阔。

在螺旋碳纳米管中，不仅碳原子组装形成管状结构，而且形成的管状结构呈现出介观尺寸的螺旋形态。在微观形貌上，根据螺旋数的不同，可以将螺旋碳纳米管分为单螺旋、双螺旋、三螺旋：根据螺旋形貌的不同，可分为发辫型、DNA螺旋型、绕曲型、弹簧型等。螺旋碳纳米管可看成是石墨烯片层结构卷曲而成的。

专利CN103094529B公开了一种螺旋碳纳米管/石墨复合负极材料的制备方法，以纳米催化剂和柠檬酸作为催化剂溶液，采用化学气相法制备出螺旋碳纳米管，较碳纳米管具有更高的机械强度，更强的结合力，依靠螺旋碳纳米管穿插和包裹在石墨表面，组成的螺旋碳纳米管网络宏观体，较大程度上保留了螺旋碳纳米管在应用时的本来形貌，

目前，除上述专利报道了螺旋碳纳米管-石墨复合材料，尚无记录螺旋碳纳米管-石墨烯杂化材料。

发明内容

本发明针对复合材料中螺旋碳纳米管自身存在的高缠绕、难分散等缺陷的问题，提供了一种螺旋碳纳米管-石墨烯杂化物的制备方法，该制备方法包括：

1)将催化剂活性组分、载体组分和掺杂组分负载在氧化石墨烯上，制备负载有催化剂的氧化石墨烯催化剂前躯体，然后经活化、粉碎后得到石墨烯催化剂颗粒，所述石墨烯催化剂颗粒大小为1～100纳米，所述石墨烯催化剂颗粒中催化剂活性组分质量占比0.1％～20％、载体组分质量占比1％～80％、石墨烯质量占比0.5％～95％，各占比之和为100％。

2)将石墨烯催化剂颗粒通过化学气相沉积制得螺旋碳纳米管-石墨烯杂化物前驱体，经混酸纯化后制得螺旋碳纳米管-石墨烯杂化物，所述混酸为浓硫酸与浓硝酸的混合物，二者体积比3:1。

优选地，步骤1)所述氧化石墨烯催化剂前躯体的制备方法为浸渍法、共沉淀法、高压水热法、溶胶-凝胶法、离子交换法中的一种或两种以上联合使用。

优选地，步骤1)所述催化剂活性组分为含铁、钴、镍、铬、钼、钨、锡、铟、铜、硫、磷、氮或钠元素的氧化物、氢氧化物、氯化物、氰化物、氟化物、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、有机酸盐中的一种或两种以上的组合；所述载体组分为硅、镁或铝元素的氧化物、氢氧化物、硅酸盐中的一种或两种以上的组合；所述掺杂组分为柠檬酸、水、乙醇、丙酮分散剂中一种或两种以上的组合，上述各种组合情形下，各组合物质间以任意比混合，所述的掺杂组分等同于助催化剂的作用。

优选地，步骤1)所述氧化石墨烯是以鳞片石墨、可膨胀石墨或膨胀石墨为原料，经插层剂插层后再经氧化剂氧化制得的。

优选地，所述插层剂为浓硫酸，氧化剂为氯酸钾、硫酸硝酸混酸、高锰酸钾中的一种。

优选地，步骤1)所述活化是指在惰性气体氛围下，600℃～1000℃条件下反应0.5～24小时。