[发明专利]一种碳纳米管-石墨烯复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管-石墨烯复合材料的制备方法，属于纳米复合材料制备和应用的领域。

背景技术

碳纳米复合材料具有广泛的应用价值，尤其在电化学储能、催化剂制备、透明导电薄膜、导电材料、增强材料、吸附和脱附材料等领域。其中，碳纳米材料中的碳纳米管和石墨烯更是具有极其优异的特性。碳纳米管具有高的长径比，好的导电特性和机械强度，而石墨烯具有大的比表面积，以及优异的导电和机械性能，能够结合这两种碳纳米材料的特性，设计出更为理想的碳纳米复合材料具有极其重要的价值和意义。

目前，制备兼顾碳纳米管和石墨烯特性的复合材料的方法基本采用物理混合的方法(Nano Lett.9,1949-55,2009)，其基本过程是将碳纳米管和石墨烯的前躯体—氧化石墨在溶液中进行简单的机械混合，然后再还原氧化石墨，变为碳纳米管和还原石墨烯的混合复合材料，但这样的复合材料中，碳纳米管和石墨烯之间仅仅依靠物理搭接作用，很难形成良好的界面接触，因此，碳纳米管和石墨烯的协同性能被大大降低。利用原位生长的方法，可以将碳纳米管的催化剂负载到氧化石墨片上，进行原位生长，并进一步还原后，也可以制备出碳纳米管-石墨烯的复合材料(Adv.Mater.22,3723-3728,2010)，但是，碳纳米管在氧化石墨片上的生长存在很多缺陷，生长受限，相关负载催化剂的制备也难以调控，这也使得所制备的碳纳米管-石墨烯复合材料的性能和实际应用空间有限。此外，直接制备碳纳米管和石墨烯的混合催化剂，再利用原位生长的办法，也可以生长出碳纳米管-石墨烯的复合材料(申请号：CN201210141649.6)，但是这一方法所制备的碳纳米管生长还是有限，并且石墨烯的缺陷较多，为实现真正应用，材料的均一性以及过程成本的控制还需要加强。

发明内容

本发明目的在于提供一种廉价的可以简便操作的具有广泛应用前景的碳纳米管-石墨烯复合材料的制备方法。该方法将石墨烯的催化剂分散在碳纳米管网络中，通过原位的化学气相沉积方法生长出高质量的石墨烯，除去石墨烯催化剂之后，得到碳纳米管-石墨烯的复合材料，是一类具有重要应用价值的碳纳米复合材料。

本发明的技术方案如下：

一种碳纳米管-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于该制备方法按如下步骤进行：

1）在去离子水或者有机溶剂中制备均匀分散的碳纳米管悬浮液，其中碳纳米管的质量百分含量在0.01～2%；

2）向上述碳纳米管悬浮液中加入碳纳米管质量1～10倍的氧化镁催化剂，均匀混合，形成均匀稳定的混合物悬浮液；

3）将上述混合物悬浮液用过滤的方法分离出来，干燥，得到混合均匀的碳纳米管和氧化镁催化剂的混合粉末，或得到碳纳米管和氧化镁催化剂独立支撑的薄膜；

4）将上述碳纳米管和氧化镁催化剂的混合物粉末，或者得到的独立支撑的薄膜放在惰性气体中，于500～600°C煅烧；

5）将煅烧后的样品继续升温至800～1000°C，通入碳源，进行高温化学气相沉积，时间为5分钟至2小时；

6）将进行完化学气相沉积后的产品溶于酸中，除掉氧化镁催化剂；经过干燥之后得到碳纳米管-石墨烯复合材料或者复合纸。

本发明所述的氧化镁催化剂由含有镁元素的化合物制备得到的尺寸为5～10000nm的催化剂产品，含有镁元素的化合物包括氧化镁、氢氧化镁、氯化镁、硝酸镁、硫酸镁、乙酸镁和碳酸镁。

本发明所采用的碳纳米管是原生的聚团多壁碳纳米管、原生的超长阵列多壁碳纳米管、提纯的聚团多壁碳纳米管、提纯的蛭石阵列多壁碳纳米管和提纯的单壁碳纳米管中的一种或几种。

本发明步骤1）中所用的有机溶剂为乙醇、氮甲基吡咯烷酮、氮氮二甲基乙酰胺、氮氮二甲基甲酰胺和离子液体中的一种或者几种的混合。

本发明步骤5）中通入的碳源包括烃类碳源以及含碳含氧的有机化合物。所述的烃类碳源采用芳香烃类或非芳香烃类。所述的芳香烃类采用苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、萘、蒽或它们的混合物；所述的非芳香烃类采用甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔或它们的混合物。所述含碳含氧的有机化合物为甲醇、乙醇、苯甲醇、丙酮、甲醛、乙醛或它们的混合物。

本发明所述的碳纳米管-石墨烯复合材料可作为电化学储能材料、催化剂制备的载体材料、透明导电薄膜材料、增强材料、导电材料以及吸附和脱附材料的应用。