[发明专利]一种石墨烯/富勒烯复合纳米材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯基复合材料制备技术领域，更具体地，涉及一种石墨烯/富勒烯复合纳米材料的制备方法及其应用。

背景技术

富勒烯和石墨烯凭借各自优异的物理化学特性吸引了众多研究人员的注意，人们希望富勒烯和石墨烯的特殊结构和优异性质能给电化学能源材料及微纳电子器件带来突破性的进展。当前，有关富勒烯和石墨烯的研究和开发已经成为了一个国际热点。富勒烯和石墨烯都是纳米尺寸的碳材料，具有极大的比表面积、良好的导电性以及优异的化学特性。但是富勒烯的溶解性和分散性较差，难以制成器件，因而其实际应用被大大限制。选择合适的方法制备出“石墨烯/富勒烯”复合纳米材料，它们之间可以产生一种协同效应，使其各种物理化学性能得到增强，因而这种复合材料在很多领域有着极大的应用前景。

首先，通过二维石墨烯的支撑作用可以有效解决富勒烯分散性较差这一问题；同时，复合纳米材料的特殊界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等，使其具有独特的光、电、磁、热等物理化学性质。因而，“石墨烯/富勒烯”复合纳米材料在电化学催化及储能、生物传感、电子器件等领域将会获得极为广泛的应用。

鉴于“石墨烯/富勒烯”复合纳米材料优异的性能和广阔的应用前景，探索合成“石墨烯/富勒烯”复合纳米材料的高效制备方法，控制富勒烯在石墨烯表面的生长和分布，具有重要的科学意义和实用价值。当前，“石墨烯/富勒烯”复合纳米材料的制备过程通常包括三步：（1）以化学氧化或金属催化的方法先制备出石墨烯纳米片；（2）通过电弧放电法、激光蒸发法、火焰燃烧法等技术制备出富勒烯纳米颗粒；（3）通过溶液分散和化学耦合方法在石墨烯纳米片上负载富勒烯形成复合结构。显然，上述多步制备过程操作繁琐且耗能较高，很难实现“石墨烯/富勒烯”复合纳米材料的大批量生产。特别是，富勒烯传统制备方法（电弧放电法、激光蒸发法、火焰燃烧法等）所用设备结构复杂且价格昂贵，对后续复合材料的开发带来了极大的难题。鉴于此，开发一种廉价、简单的制备方法对推动“石墨烯/富勒烯”复合纳米材料的产业化将起到至关重要的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的石墨烯/富勒烯复合纳米材料制备过程繁琐、成本高、能耗大的技术问题，提供一种新的石墨烯/富勒烯复合纳米材料的制备方法。

本发明的第二个目的是提供上述方法得到的石墨烯/富勒烯复合纳米材料。

本发明的第三个目的是提供上述石墨烯/富勒烯复合纳米材料的应用。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

一种石墨烯/富勒烯复合纳米材料的制备方法，是以含硫树脂作为固相碳源和硫源，以过渡金属醋酸盐作为催化剂前驱体，所述含硫树脂靠近加热炉的入气端，过渡金属醋酸盐靠近加热炉的出气端，在惰性气体保护下进行热处理，收集热处理产物，经酸处理、洗涤、过滤、干燥即得石墨烯/富勒烯复合纳米材料；所述热处理的温度为600～900℃，加热时间为10 min～60min，升温速度为5～20℃/min。

本发明采用多功能“含硫树脂”作为固相碳源及硫源，在热处理过程中释放出的含碳及含硫气氛可以作为气相沉积的碳源及硫源。该过程属于自供给气氛的类化学气相沉积技术，从根本上降低了材料的制备成本。另外，含硫树脂靠近加热炉的入气端，含硫树脂气化后成为含碳和含硫气氛，采用过渡金属醋酸盐作为催化剂前驱体，在热处理过程中醋酸盐首先还原为纳米金属镍进而催化含碳气氛得到富勒烯；金属镍进一步与含硫气氛反应生成金属硫化物继续催化含碳气氛得到石墨烯。

优选地，所述含硫树脂和过渡金属醋酸盐的质量比为1：0.1～0.5。

优选地，所述酸处理是指热处理产物用1～5mol/L的盐酸浸泡1～3h。

优选地，在进行热处理之前，所述含硫树脂经烘干粉碎处理，粉碎后粒径为50μm～100μm。

优选地，在进行热处理之前，所述过渡金属醋酸盐盐经球磨处理，球磨后粒径为1μm～5μm。

优选地，所述过渡金属醋酸盐选自醋酸镍、醋酸钴、醋酸锰中的一种或两种以上。

优选地，所述含硫树脂选自硫脲树脂、巯基树脂、磺酸基树脂中的一种或两种以上。

作为一种具体的实施方式，本发明上述制备方法包括以下步骤：

（1）固相碳源/硫源的选择和前处理：选择含硫树脂为固相碳源及硫源，烘干粉碎处理，粉碎后粒径为50μm～100μm；