[发明专利]一种高导电、高导热、柔性的三维石墨烯材料与制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，具体地涉及一种高导电、高导热、柔性的三维石墨烯材料及其制备方法，主要用于光伏、半导体电子、储能器件、或复合材料领域。

背景技术

石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，它是构建其它维数碳基材料(0D的富勒烯，1D的碳纳米管和3D的石墨)的基本单元。石墨烯独特的晶体结构使其具有优异性质，如高热导性、高机械强度、奇特的电学性质和光学性质。石墨烯粉体具有大比表面积，容易团聚，这为进一步分散和应用带来实际困难。而将石墨烯组装成三维的结构为实际应用带来极大便利。同时，石墨烯之间通过化学键连接，石墨烯三维导电和导热性能好于石墨烯粉体材料。另外，组装石墨烯具有多孔结构，作为支撑骨架结构，负载功能材料。因此，这种三维石墨烯可应用到光伏、半导体电子、储能器件、或复合材料领域。

目前，三维结构石墨烯较多基于氧化石墨烯，利用溶胶凝胶法进行组装，通过冷冻干燥和超临界干燥法获得三维石墨烯。如：Hu等提出了自组装和冷冻干燥的两步过程，得到超轻、高度可压缩的石墨烯气凝胶，可恢复的压缩形变达到～90％，但屈服强度仅为1.5kPa(Adv.Mater.25,2219(2013))。但石墨烯质量较差，而且石墨烯之间采用较弱的π-π间或分子间作用力键合，导致力学和电学性能差。最近，金属所采用多孔金属，利用化学气相沉积法已制备出三维联通的高质量的石墨烯网络结构(Natutre Mater.10,424(2011))。尽管电学性能有所提高（10S/cm）。但这种方法去除模板前，需要沉积一层高分子PMMA进行保护支撑，去除模板后需要采用有机溶剂去除支撑材料，制备工艺复杂，而且高分子容易残留，这将严重影响三维石墨烯骨架复合材料的综合性能。这种三维石墨烯具有大孔径结构（～几百微米），导致了低的表面积，严重阻碍其进一步应用。另外，采用昂贵的金属泡沫，造成三维石墨烯成本较高，不利于产业化应用。此外，王瑞（音译）等人采用镍纳米线作为模板，利用CVD法制备出石墨烯管（Nano Lett.2010,10，4844）。然而，这种方法仅能获得单根的石墨烯管，无法将石墨烯管进行组装排列成三维结构。因此，如何突破这一瓶颈，开发低成本、电学、热学性能优异、可大规模生产的新型的石墨烯三维结构是关键。

综上所述，本领域缺乏一种低成本、电学、热学性能优异、可大规模生产的三维石墨烯材料。

发明内容

为了构造新型结构三维石墨烯材料和改善三维石墨烯的导电和导热性能，本发明的目的在于提出一种高导电、高导热、柔性的三维石墨烯材料及其制备方法和用途。即，本发明的第一目的在于获得一种低成本、电学、热学性能优异、可大规模生产的三维石墨烯材料。本发明的第二目的在于获得一种低成本、高导电、高导热、可大规模生产的三维石墨烯材料的制备方法。本发明的第三目的在于获得一种低成本、电学性能优异、可大规模生产的三维石墨烯材料的用途。

在本发明的第一方面，提供一种高导电、高导热、柔性的三维石墨烯材料。所述三维石墨烯材料为由多根石墨烯管排列组装而成的三维石墨烯绳、三维石墨烯布和三维石墨烯毡；其中所述石墨烯管由石墨烯卷曲而成，所述石墨烯的层数为1～200层，优选为1～50层；所述石墨烯管的直径为0.05～2000μm，优选为0.1～50μm；长度为1μm～100cm，优选为10μm～10cm。

本发明的三维石墨烯材料由石墨烯管排列组装而成，其中石墨烯管具有连续的宏观结构，石墨烯间共价键连接，相互之间接触电阻和热阻较小，因此，本发明的三维石墨烯材料具有优异的导电、导热性能，而且具有柔性，其电导率可为600S/cm以上，导热率可为700W/mK以上。

较佳地，所述三维石墨烯材料含有90%～100%的C和0～10%的掺杂元素，其中所述掺杂元素为N、P、S、和B中的至少一种。优选地，C的含量为95%～99%。优选地，掺杂元素的含量为0.5%～5%。另外，其它杂质元素含量可为0～5%，优选为0～2.5%。本发明的三维石墨烯材料可以是无掺杂的三维石墨烯，也可以是掺杂有N、P、S、和B中的至少一种的掺杂三维石墨烯。

较佳地，所述三维石墨烯绳的直径为0.1mm～500mm，优选为0.5mm～50mm；长度为1mm～10000cm，优选为1mm～100cm。

较佳地，所述三维石墨烯布的宽度为1mm～1000cm，优选为1mm～100cm；长度为1mm～1000cm，优选为1mm～100cm；厚度为0.1mm～500mm，优选为0.1mm～10cm。