[发明专利]三维碳纳米管/石墨烯复合材料生长用催化剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米新材料技术领域，特别涉及一种三维碳纳米管/石墨烯复合材料生长用催化剂的制备方法。

背景技术

碳纳米管和石墨烯是两种典型的碳纳米材料。石墨烯是由单层sp²杂化碳原子构成的蜂窝状二维平面晶体结构；而碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的一维圆筒结构。二者均可作为电极材料。碳纳米管由于具有良好的导电性和电解质容易接近的表面，被视为高功率电极材料的良好选择。然而，其比表面积（一般500m²g^-1）相对较小，作为电极材料的能量密度低，有待进一步提高。而石墨烯虽然具有高导电性和极高的理论比表面积(~2630m²g^-1)，但由于范德华力的作用容易形成宏观聚集体，石墨烯片层之间互相杂乱堆叠分布，导致有效比表面积减少和能量密度降低。碳纳米管和石墨烯在结构和性能上具有很多相似而又可以互补的地方，一维碳纳米管和二维石墨烯能作为构建三维碳质材料的基本单元，构筑一种具有独特的三维微观结构和优异电学性能的新功能碳基复合材料。

关于碳纳米管/石墨烯复合材料的制备技术已有报道。中国专利CN201110261623公开了一种基于三维网络形貌的石墨烯-碳纳米管复合薄膜的制备方法，但是仅采用液相法将二者简单混合，并辅助还原后处理，并不能充分有效地发挥二者的特性。类似报道还有中国专利CN102412065，CN200910248681以及W.Feng课题组的研究结果(L.W.Peng,Y.Y.Feng,P．Lv，D.Lei,Y.T.Shen,Y.Li,W.Feng.J.Phys.Chem.C 116(2012):4970-4978)，都是利用石墨烯和碳纳米管混杂技术形成缠绕交织的网络结构。中国专利CN200910218482公开了一种石墨烯/碳纳米管复合薄膜的原位制备方法，利用化学气相沉积(CVD)法，一步到位地合成了石墨烯/碳纳米管复合薄膜，制得的复合膜由石墨烯片与碳纳米管相互搭接而构成，但其中的碳管仍呈相互缠绕状，不利于有效比表面积和储能密度的提高。

F．Wei等人(Z.J.Fan,J.Yan,L.J.Zhi,Q.Zhang,T.Wei,F.Wei.Adv.Mater.22(2010):3723-3728)也采用化学气相沉积法制备了碳管/石墨烯复合材料，该方法以氧化石墨烯为载体，利用尿素做沉淀剂，将活性组分硝酸盐沉淀于载体上，制备生长碳纳米管的催化剂前驱体；催化剂经干燥、还原后即可用于CVD法生长碳管。此方法能使碳管规整地生长于石墨烯片层间，形成碳纳米管柱撑石墨烯的三维结构。

但该文献在该复合材料制备过程中使用了生长碳管的Co/氧化石墨烯的催化剂。该催化剂由于所使用硝酸钴成本高的原因，本发明的发明人试图采用廉价的Ni/氧化石墨烯催化剂替换进行了研究。采用该文献报道的微波加热方式（微波频率：2450MHz，功率：700W，加热时间：15min），进行了Ni/氧化石墨烯催化剂的制备研究，发现加热沉淀过程中，反应液在5分钟内迅速出现爆沸，导致反应无法进行下去；所制备的催化剂用于碳纳米管生长，也无活性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制备碳纳米管/石墨烯复合材料用催化剂，由活性组分和氧化石墨烯载体组成，活性组分为Ni，并以Ni(OH)₂形式存在于该催化剂中。同时，本发明提供了该催化剂的制备方法。本发明提供的Ni(OH)₂/氧化石墨烯催化剂的制备方法简单可控，并且活性高，制备出的三维碳纳米管/石墨烯复合材料形貌十分规整。

本发明的技术方案：

本发明提供了一种三维碳纳米管/石墨烯复合材料用催化剂，它是利用尿素做沉淀剂，将活性组分硝酸盐均匀沉淀于表面吸附了表面活性剂的氧化石墨烯载体上而成。

本发明优选的方案是所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠(SDS)、巯基乙酸中的一种。

本发明提供的上述三维碳纳米管/石墨烯复合材料用催化剂的制备方法如下：氧化石墨烯与水的混悬液和表面活性剂水溶液超声混合的悬浮液为反应体系，将活性组分硝酸盐在剧烈搅拌条件下逐渐加入，最后加入尿素并加热制备生长碳纳米管的催化剂前驱体；催化剂前驱体经干燥后即得本发明的三维碳纳米管/石墨烯复合材料生长用催化剂。具体如下：

1）将氧化石墨烯加水超声波分散为悬浮液，然后加入到表面活性剂的水溶液中，超声波分散均匀备用；