[发明专利]一种碳纳米管/石墨烯复合凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯凝胶技术领域，尤其涉及一种碳纳米管/石墨烯复合凝胶及其制备 方法。

背景技术

石墨烯是碳原子在二维平面上以sp²杂化形式相互连接形成的单原子层厚的碳材 料，其碳原子呈六角蜂窝状排列。由于其特殊的结构性能，石墨烯具有许多优良的物理 和化学性能，比如高的机械强度(～1TPa)[参见：(a)C.Lee,X.D.Wei,J.W.Kysar,J.Hone, Science,321(2008)385-388.]，良好的导电性和导热性[参见：(b)P.Avouris,Z.H.Chen,V. Perebeinos,NatNanotechnol,2(2007)605-615.(c)K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V. Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,A.A.Firsov,Science,306(2004) 666-669.]以及大的比表面积(2675m²g^-1)。这些优良的性能使石墨烯适合作为超级电容 器中的电极材料。然而，石墨烯在制备过程中易团聚，导致比表面积比理论值低，同时 不利于离子进入石墨烯层之间，从而影响了其电化学性能。

石墨烯凝胶由于具有高的比表面积，合适的微孔结构及多种电子传输路径，而广泛 被用作超级电容器的电极材料。利用水热法[参见：(d)Y.Zhao,C.G.Hu,Y.Hu,H.H.Cheng, G.Q.Shi,L.T.Qu,AngewChemIntEdit,51(2012)11371-11375.]，模板法[参见：(e)S.H.Lee, H.W.Kim,J.O.Hwang,W.J.Lee,J.Kwon,C.W.Bielawski,R.S.Ruoff,S.O.Kim,AngewChemInt Edit,49(2010)10084‐10088.]及化学还原法[参见：(f)X.T.Zhang,Z.Y.Sui,B.Xu,S.F.Yue, Y.J.Luo,W.C.Zhan,B.Liu,JMaterChem,21(2011)6494-6497.]等均可合成石墨烯凝胶。 但是，石墨烯凝的导电性一般在1-100Sm^-1量级，作为超级电容器的电极材料时仍有待 进一步提高。

发明内容

本发明针对上述石墨烯凝胶导电性较低的问题，旨在提供一种具有良好导电性的石 墨烯凝胶。

为此，本发明人将碳纳米管材料结合到石墨烯凝胶中，形成具有特殊结构的碳纳米 管/石墨烯复合凝胶，利用碳纳米管良好的导电性，其电导率一般在10⁴Sm^-1量级，而 提高复合凝胶的导电性。

即，本发明所采用的技术方案为：一种碳纳米管/石墨烯复合凝胶，其中碳纳米管穿 插在石墨烯凝胶中，构成三维多孔结构。

所述的碳纳米管包括但不限于单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管，优选为单壁碳纳米 管。

本发明还提供了一种制备上述碳纳米管/石墨烯复合凝胶的方法，采用水热法，在氧 化石墨烯水溶液中加入碳纳米管，具体包括如下步骤：

(1)将氧化石墨烯均匀分散于水中，得到氧化石墨烯水溶液；

(2)将碳纳米管加入氧化石墨烯水溶液中，分散均匀，得到碳纳米管/氧化石墨烯 分散液；或者，首先将碳纳米管均匀分散于水中，得到碳纳米管分散液，然 后将碳纳米管分散液与氧化石墨烯水溶液混合，使碳纳米管均匀分散在混合 溶液中，得到碳纳米管/氧化石墨烯分散液；

(3)利用水热法，将碳纳米管/氧化石墨分散液进行热处理，得到碳纳米管/氧化 石墨烯复合凝胶；

(4)利用还原剂还原碳纳米管/氧化石墨烯复合凝胶，然后洗涤、干燥，得到碳纳 米管/石墨烯复合凝胶。

作为优选，所述的步骤(1)中，氧化石墨烯的来源不限，可以选用市售的氧化石 墨烯，也可以采用石墨为原料通过氧化反应制备氧化石墨烯，Hummers-Offeman法制备 氧化石墨烯是本领域中常用的方法。

所述的步骤(2)中，碳纳米管/氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯与碳纳米管的质 量比值优选为3～30时，合成的碳纳米管/石墨烯凝胶同时具有较好的导电性和合适的多 孔结构。