[发明专利]一种三维石墨烯/碳纳米管交联复合材料的制备方法

说明书

一种三维石墨烯/碳纳米管交联复合材料及其制备方法，属于功能纳米材料领域。具体步骤为：将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去离子水中配成混合溶液，完全干燥后研磨成粉末；再将粉末置于管式炉中在氢氩混合气氛中经中温热处理，得到碳纳米管限域纳米铁颗粒与三维石墨烯交联的复合材料；随后再经高温热处理除去铁纳米颗粒，即可得到三维石墨烯/碳纳米管交联复合材料。本发明生产周期短，成本低，可重复性强且可大规模制备，对制备石墨烯与碳纳米管的复合材料具有重要借鉴作用，所得材料在储能、催化等领域具有广阔应用前景。

技术领域

本发明属于功能纳米材料领域，具体涉及一种三维石墨烯/碳纳米管交联复合材料及其制备方法。

背景技术

碳基材料是一类重要的传统材料，因其优异的力学、光学、电学、热学、等性能而成为化学、材料、物理等领域中重要的研究方向之一。并已被广泛应用在弧光照明装置、通信装置、电器设备、能源存储与电催化材料等领域。然而，随着科技发展，传统碳材料的性能已无法满足实际应用需求，因此新型碳基材料的开发引起了科学家们的高度重视。

石墨烯和碳纳米管作为碳材料家族中的明星材料，因其十分优异的性能而在太阳能电池、传感器、电催化剂和金属离子电池等领域已经得到了广泛的研究。而将一维结构的碳纳米管与二维结构的石墨烯结合形成三维交联结构的石墨烯/碳纳米管复合材料必然会同时发挥两者的优势，产生性能上的巨大提升。合成石墨烯的传统方法有氧化还原法、化学气相沉积法，电解法等，但是这些方法制备的石墨烯通常产量较小且成本高；且呈二维堆垛形式的石墨烯片在电催化，电磁波吸收材料等领域的应用存在局限性。碳纳米管的主要制备方法是催化剂上进行化学气相沉积生长，但制备过程成本稍高。尽管已有文献报道(Adv.Mater.2018,1802011)利用还原氧化石墨烯与ZIF-67复合物经热处理得到石墨烯表面生长碳纳米管的复合材料，但该方法工艺复杂，难以规模化制备。因此，通过简单工艺、规模化可控制备出特定形貌和高比表面积的三维石墨烯/碳纳米管交联复合材料，对于石墨烯和碳纳米管的复合材料发展具有极其重要的理论和实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、高效、低成本、规模化制备三维石墨烯/碳纳米管交联复合材料的制备方法，以解决现有石墨烯/碳纳米管复合材料制备方法存在的流程复杂，成本高的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种三维石墨烯/碳纳米管交联复合材料，其特征在于：该复合材料由三维石墨烯框架和生长在三维石墨烯框架中的碳纳米管构成；其中碳纳米管穿插于三维石墨烯框架中，与三维石墨烯交联。

如上所述的三维石墨烯/碳纳米管交联复合材料的制备方法，包括如下步骤：

a.将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去离子水中配成混合溶液，完全干燥后研磨成粉末；

b.将粉末置于管式炉中在氩氢混合气氛中以3～6℃/min的升温速率加热至150～300℃，保温0.5～1.5h；然后以4～8℃/min的升温速率加热至650～800℃，保温1～2h；再以3～6℃/min的升温速率加热至850～950℃，保温2～3h；待管式炉冷却至室温后，收集黑色泡沫状产物，为碳纳米管限域纳米铁颗粒与三维石墨烯交联的复合材料。

c.将碳纳米管限域纳米铁颗粒与三维石墨烯交联的复合材料置于高温炉中，在氩气气氛中以4～8℃/min的升温速率加热至2500～3500℃，保温3～6h；待高温炉降至室温，收集产物，即为三维石墨烯/碳纳米管交联复合材料。

进一步地，所述步骤a中九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮质量比为(1.4～1.8)：1。

进一步地，所述步骤a中混合溶液的干燥温度为80℃。

进一步地，所述步骤b中氢氩混合气中氢气与氩气的体积比为(2～3)：(7～8)。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：