[发明专利]一种水性碳杂化材料的制备方法

说明书

一种水性碳杂化材料的制备方法，将氧化石墨烯或碳纳米管与水超声处理，制得水溶液；将氧化石墨烯水溶液、碳纳米管水溶液混合，并加入分散剂，混合溶液超声处理制得混合溶液；向混合溶液中加入绿色还原剂，升温反应结束后，用水洗去多余的分散剂和绿色还原剂，冷冻干燥得到水性碳杂化材料。本发明制备的石墨烯/碳纳米管碳杂化材料能在水溶液中稳定分散。本发明的碳杂化材料制备过程全程无溶剂，不产生化学废弃物，环境友好，成本低廉，可应用于工业生产。本发明制备的石墨烯/碳纳米管碳杂化材料所需的还原剂（维生素C）和分散剂（单宁）来源于生物质资源，具有可再生、无毒的特点。

技术领域

本发明涉及碳材料制备，具体涉及一种水性碳杂化材料的制备方法。

背景技术

石墨烯作为备受关注的新兴材料，从结构来看石墨烯是具有蜂窝状晶体结构的巨大的二维片层材料，具有很好的导电、导热以及机械性能。当有外力作用于石墨烯表面时，石墨烯表面紧密堆积的碳原子可以通过重排来保持结构的稳定性，因此石墨烯的机械性能尤为突出。而碳纳米管一维的结构相当于将石墨烯卷起来并用碳原子将两段封闭，与石墨烯相比，结构上碳原子的柔韧性减弱，因此碳纳米管机械性能不如石墨烯，但碳原子的SP²杂化和碳纳米管本身巨大的长径比，使得碳纳米管内形成了一个大π离域键，载流子及空穴在碳纳米管中的传递速率都非常快，可达到10 0000 cm²/v·s，因此碳纳米管的电学性能优异。可见，碳纳米管与石墨烯在结构与性质上互补，若将两者杂化，可充分发挥二者各自的优势，例如可以旋转涂膜法或化学气相沉积法制备出石墨烯/碳纳米管复合薄膜（黄维，付志兵，朱家艺，王朝阳，石墨烯/碳纳米管复合薄膜的制备研究进展，材料导报，2016，30(1)，24-30）, 石墨烯和碳纳米管之间可以产生一种协同效应,使其各向同性导热性、各向同性导电性、三维空间微孔网络等物理化学性能得到增强，因而这种复合薄膜在很多领域有着广阔的应用前景。

但获得高性能的碳杂化材料的前提是得到均匀分散的碳杂化材料分散液，众所周知，石墨烯和碳纳米管受碳材料固有疏水性的限制，有巨大的表面能，极易团聚堆积，难以在水溶液中剥离以及稳定分散。为了增加碳材料在水中的溶解性，常见的处理方法是，在碳材料上接入亲水性基团以增加碳材料在水中的溶解性，李明霞等公开了一种聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料及其制备方法（李明霞，蔡庄，王鹏，王淑红，赵弘韬，常金辉，曹晓俭，常青，马东阁，汪成聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料及其制备方法，专利申请号：201510408773.8），用表面活性剂比如高分子聚合物聚乙烯吡咯烷酮作为分散液去分散石墨烯，该种分散剂可吸附于石墨烯表面，形成覆盖层，从而防止了石墨烯的自我团聚，有较好的分散效果，但聚乙烯吡咯烷酮难以去除，限制了石墨烯后期的应用；或对碳纳米管进行酸化，即接枝羧基，李戎等空开了一种利用酸化方法处理碳纳米管制备碳纳米管纤维的方法（李戎，吴兴乐，朱惠惠，菅应凯一种利用酸化方法处理碳纳米管制备碳纳米管纤维的方法，专利申请号：201610292027.1），但这种方法往往会破坏碳材料的结构，过多的处理也会使碳纳米管的长径比下降，进而导致导电性能的减弱，同时会产生大量化学废弃物，处理成本高、污染环境、难以在工业上推广。因此开发一种绿色环保的方法制备水性杂化碳材料非常有意义。

该发明首先借助碳材料之间结构相似且存在静电作用，π-π吸附等相互作用的特点，利用能在水中剥离并稳定分散的氧化石墨烯吸附碳纳米管，同时加入有着苯环结构及亲水性的绿色稳定剂单宁，经超声处理得到氧化石墨烯/碳纳米管/单宁的稳定分散液；再添加维生素C作为还原剂，将碳杂化材料中的氧化石墨烯还原成石墨烯，且还原后碳杂化材料在水溶液中仍能保持稳定分散；最后用大量超纯水洗去多余的单宁和维生素C，冷冻干燥后便得到能在水、乙醇等极性溶剂中稳定均匀分散的石墨烯与碳纳米管的碳杂化材料。制备过程不涉及有机相，反应简单，符合绿色化学的要求，且未破坏碳材料的结构，确保了石墨烯和碳纳米管杂化材料优异性能的发挥。

发明内容