[发明专利]一种石墨烯/镍钴铝‑层状双氢氧化物复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料及其制备领域，具体是涉及一种石墨烯/镍钴铝-层状双氢氧化物复合材料及其制备方法。

背景技术

层状双氢氧化物是一类由层间阴离子和带正电荷层板堆积而成的化合物，其层板上的原子之间以共价键结合，层与层之间以氢键等非共价键结合。层状双氢氧化物独特的结构使其表现出组成和结构上的可调控性、阻燃性、吸附性、强碱性等特性，在电化学领域、催化化学、功能高分子材料领域得到广泛应用。

石墨烯是由碳原子以sp²杂化而形成的正六边形晶格的二维蜂窝状平面材料，其特殊的单原子层结构赋予石墨烯高的比表面积、优异的电学性能和导热性能等，在电池和电解材料、功能性复合材料等领域具有广阔的应用前景。

层状双氢氧化物在合成过程中由于片层间的相互作用以及纳米尺寸效应而易于团聚，导致其比表面积减小和反应活性降低。通过引入石墨烯制备石墨烯/层状双氢氧化物复合材料可以有效克服这些缺陷，提高材料的分散性、比表面积，并改善复合材料的电化学、阻燃等性能，拓展石墨烯/层状双氢氧化物复合材料在超级电容器、电极材料以及阻燃聚合物材料等领域中的应用。

中国发明专利201210588018.9提供了一种镍铝-层状双金属氢氧化物修饰电极的制备方法，采用共沉淀方法，将镍铝-层状双金属氢氧化物片层原位负载在石墨烯片层表面，制备出的石墨烯/镍铝-层状双金属氢氧化物复合材料具有良好的分散性和电催化氧化性能。中国发明专利申请201310208138.6提供了一种石墨烯/层状双氢氧化物复合型阻燃剂及聚苯乙烯纳米阻燃复合材料的制备方法，通过将一维碳纳米管预先引入到二维石墨烯片层之间以抑制石墨烯片的堆积，再通过均匀沉淀法获得了层状双氢氧化物片层与一维纳米线拼装结构，从而降低了石墨烯片层以及层状双氢氧化物片层的团聚现象，提高了石墨烯/层状双氢氧化物在聚苯乙烯聚合物中的阻燃效率。

已报道的石墨烯/层状双氢氧化物复合材料为二维纳米片层拼装形成的片层/片层结构，为了获得二维与一维纳米结构共存的多尺度复合材料，需预先向反应体系中引入一维纳米结构材料，但是，如何实现石墨烯纳米片层向纳米棒的转变，则是将要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨烯/镍钴铝-层状双氢氧化物复合材料，结构中含有拼装形成的二维纳米片层/一维碳纳米棒结构，它具有良好的分散性。同时，本发明还提供该复合材料的制备方法。

为实现该目的，本发明采用了以下技术方案：

一种石墨烯/镍钴铝-层状双氢氧化物复合材料，具有二维片层与一维纳米棒的拼装结构，由镍钴铝-层状双氢氧化物纳米片层，以及分散在纳米片层中由石墨烯片层卷曲且相互包裹形成的直径为20～120nm、长度在2μm以内的碳纳米棒组成。

一种石墨烯/镍钴铝-层状双氢氧化物复合材料的制备方法，不需要任何模板，通过一步反应实现石墨烯纳米片层向纳米棒的转变，具体是先向金属盐和尿素的混合水溶液中加入氧化石墨烯溶液，超声处理，然后通过水热法合成石墨烯/镍钴铝-层状双氢氧化物复合材料。

作为制备方法的进一步改进，混合水溶液中Ni²⁺、Co²⁺、Al³⁺之间的摩尔比为2：2：1，尿素与(Ni²⁺+Co²⁺+Al³⁺)的摩尔比为1.2：1，氧化石墨烯与(Ni²⁺+Co²⁺+Al³⁺)的摩尔比为1：0.4～10。

作为制备方法的进一步改进，所述金属盐和尿素混合水溶液中Ni²⁺的浓度为20～90mmol/L，Co²⁺的浓度为20～90mmol/L，Al³⁺的浓度为10～45mmol/L，尿素的浓度为70～260mmol/L；所述氧化石墨烯溶液为市售产品，氧化石墨烯溶液的浓度为2.5mg/ml；金属盐的阴离子为NO₃^-、Cl^-或SO₄^2-。

作为制备方法的进一步改进，超声处理时间为10～30min，水热法合成是在100～150℃下反应12～36h。