[发明专利]石墨烯/碳纳米管复合体系的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米材料复合体系的制备方法，特别涉及一种石墨烯/碳纳米管复合体系的制备方法，属于纳米新材料领域。 

背景技术

石墨烯是新兴的纳米碳材料，自2004年被发现以来，引起了科学界和工业界的广泛关注。他具有独特的二维晶体结构和极高的电荷迁移速率，同时它还具有比表面积大、化学性质稳定、高透光性、高机械强度等优点，被认为是最有应用前景的材料之一。碳纳米管也是一种新型的具有纳米尺度的一维碳材料，拥有完整的分子结构，有着和石墨烯相似的很多优越的电学和机械性能。将前述两种材料复合起来会产生很多的优势，如：碳纳米管可以改善石墨烯连接之间的电子输运，石墨烯增加了碳管的导电通路，使导电性大幅提高；碳纳米管形成网络结构，可以增大复合体系透光性；碳管可以填充石墨烯的空隙，增大材料密度和空间占有率，利于提高锂电池的体积容量；碳纳米管可以提高复合材料的容量，石墨烯改善循环稳定性；合理调配石墨烯和碳纳米管之间的比例，可以直接调节复合体系的性能。例如，2003年Weber等（J Appl Polym Sci.,2003,88,112.）提出将碳纤维和石墨复合起来提高材料整体的热导率，2008年Mo Song等（Adv.Mater.2008,20,1706）将碳纳米管和还原的氧化石墨烯复合制备透明导电膜提高材料的透明导电特性。 

近年来将石墨烯和碳纳米管复合的方法和应用的文章和报道很多，其主要方法包括直接超声分散复合，以及利用化学气相沉积（CVD）在石墨烯薄膜基底上生长碳纳米管。但是其均存在一定的缺陷，比如：采用氧化还原石墨烯（rGO）与碳管复合，由于rGO本身结构受到破坏，导电性差，不利于整个体系的导电性；而采用超声分散的，对比例的控制无法精确，且二者复合不会非常紧密； 又及，采用CVD法生长，无法得到混合体系的粉末，产量低且成本高昂，对推广这种材料的应用有很大的限制。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯/碳纳米管复合体系的新型制备方法，其能实现石墨烯/碳纳米管复合体系的低成本、快速、大量制备，从而克服现有技术中的不足。 

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案： 

一种石墨烯/碳纳米管复合体系的制备方法，包括：取主要由石墨粉末与催化剂前驱体形成的石墨烯催化剂复合体系（主要为石墨插层物）置于适合生长碳纳米管的环境中，直至制得目标产物；所述催化剂前驱体包括能够在高温封闭环境中插入石墨层中形成石墨插层物，并且能够在适合生长碳纳米管的环境中分解生成用以促进碳纳米管生长的催化剂的材料。 

作为其中较为优选的实施方案之一，该方法包括：将石墨粉末与催化剂前驱体混合后置于高温封闭环境中，获得石墨插层物。 

所述催化剂前驱体可选用但不限于金属化合物，所述金属化合物可选用但不限于氯化镍、氯化钴、氯化铁、氯化铜、氯化锰、氯化铝等。 

作为其中较为优选的实施方案之一，所述石墨插层物的制备工艺包括：将石墨粉末与催化剂前驱体混合后置于密闭的钛釜或者金釜中，控制温度为200-800℃，反应时间在5h以上，获得石墨插层物。 

在所述石墨插层物的制备工艺中，反应时间控制在5-72h。 

作为其中较为优选的实施方案之一，所述适合生长碳纳米管的环境包括：在碳纳米管的生长气氛中反应，控制反应温度在500-1500℃，生长时间在1分钟以上。 

作为其中较为优选的具体应用方案之一，所述碳纳米管的生长气氛包括：0-1000sccm碳源气体，10-1000sccm氢气，0-1000sccm惰性气体，且控制生长压力为1-800torr。 

所述碳源包括液相或者气相碳源，所述液相碳源包括甲醇、乙醇、丙醇或芳香烃，所述气相碳源包括甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、丙烷、一氧化碳或二氧化碳。 

所述石墨粉末的来源可选自但不限于普通天然石墨、鳞片石墨、粉状石墨或高定向裂解石墨。 

所述石墨插层物的阶数为1-20阶。 

本发明利用催化剂前驱体均匀的插入石墨片层之中，从而获得均匀担载催化剂的复合体系粉体，亦可认为是石墨插层物，利用化学气相沉积的方法，同步实现碳纳米管的生长和石墨片层的撑开，从而获得复合体系粉末。 

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：制备过程中石墨烯和碳纳米管一步合成，没有引入任何含氧官能团，低缺陷，成本低，产量高，适合大规模生产。 

附图说明

图1为本发明的石墨烯/碳纳米管复合体系的制备方法的工艺流程图；