[发明专利]石墨烯与纳米纤维与纳米颗粒的复合材料及其制备方法

说明书

一种石墨烯与纳米纤维与纳米颗粒的复合材料的制备装置，包括上筒体(3)、上压环(2)、上压环橡胶(1)、下压环橡胶(4)、下压环(5)、下筒体(6)、底板(7)、出气口(8)、出气管(9)、缓冲球(12)、下液管(13)、抽气管(10)、抽气机(11)。还包括利用该制备装置制备的复合材料，以及利用该制备装置的方法。

技术领域

本发明涉及石墨烯复合材料技术领域，具体为一种石墨烯与纳米纤维与纳米颗粒的复合材料及其制备方法、装置。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子组成的只有一个原子厚度的二维材料，具有十分优异的物理化学性能，如优异的力学性能、高的导电性和良好的导热性能等，被认为是当今最具有潜力的纳米材料之一。作为一种一维碳纳米材料，碳纳米纤维具有良好的力学性能、较大的比表面积和良好的化学稳定性等优点，这些特殊性质使其广泛应用于催化剂载体、高分子纳米复合材料、能量转换与储存器件的柔性基底材料等领域。以石墨烯微片为例，其不但自身具备较好的物性性能、电学性能，而且与其他材料复合可以进一步提升其他材料的性能。

静电纺丝是一种简单而有效制备碳纳米纤维的技术，通过高压静电将聚合物溶液进行纺丝，再进行预氧化和高温碳化可制备得到具有三维多孔结构和高比表面积的静电纺碳纳米纤维膜。本专利采用静电纺丝工艺，将聚丙烯腈溶液进行纺丝，并通过预氧化制备得到聚丙烯腈纳米纤维膜。

文献CN105297405A介绍了复合方法，其经过溶液浸泡法在聚丙烯腈纳米纤维上包裹氧化石墨烯，再通过高温碳化制备得到石墨烯/碳纳米纤维复合膜，并以此为基底材料进一步制备高性能复合材料。该方法有明显缺陷，一是高温，二是石墨烯加入的方式太简单，加入量不足，复合的状况也不均匀，难以为硫化钴锌纳米颗粒的均匀分散提供好的载体。

硫化钴锌是一种典型的金属硫化物，自身导电性好，理论容量值高。与一般材料相比，硫化钴锌具有很高的导电性能和理论储锂容量值，在催化、超级电容器及锂离子电池电极材料等领域受到广泛的关注和应用。纯的硫化钴锌颗粒易于团聚，这是制约其应用的最大问题，使其活性位点无法得到充分暴露，严重影响了其催化特性和能量存储的循环稳定性，制备得到团聚严重的材料，其优越性能无法体现。因此，将硫化钴锌与稳定性优异的纳米材料进行有效复合，充分提高硫化钴锌的稳定性，对其具有重要意义。

对于如何有效地分散硫化钴锌，在多孔材料中有效地分散石墨烯，以起到促进均匀附着，是一种有效方式，但是前面提到的CN105297405A中有明显不足，一是石墨烯只是以浸泡方式附着，如何附着的石墨烯的尺寸，均匀性都有很大问题，很难起到对硫化钴锌的附着起到很好的作用，而且其采用的碳化方式温度太高，如此高的温度下进行碳化，实际上对于纤维结构的完整性影响很大，实际上会出现了很多较大的空洞，对于硫化钴锌的分散和均匀附着是极为不利的；中科大学报的文献《静电纺丝法制备聚己内酯/石墨烯复合材料纳米纤维》提供了一种在电纺膜中分散石墨烯的方法，但是受限于在电纺液中添加石墨烯，石墨烯的浓度最多只有1％左右，而且从文中的电镜照片看来，在电纺环节就添加石墨烯对纤维结构影响极大，纤维结构出现了极大的不规整性，这样的结构对于硫化钴锌的均匀分散助益不足，无法作为好的载体。

现有技术中，对于如何制备硫化钴锌的良好载体，没有进行研究和分析，而硫化钴锌的性能由于分散度的不足难以体现出来。

发明内容

本发明的目的在于提供一种良好的复合材料，以解决现有的技术的硫化钴锌性能仍然有局限，在微孔载体中分散的分散度不足，良好性能无从发挥的缺陷。相对于现有技术，本发明通过在PCL电纺膜中有效负压附着特定尺寸的石墨烯微片，再进行低温微碳化，有效地为硫化钴锌的分散提供了优良的载体。