[发明专利]一种基于自支撑还原氧化石墨烯卷的复合材料及制备方法

说明书

本发明提供了基于自支撑还原氧化石墨烯卷的复合材料及制备方法，属于纳米材料研究领域。包括如下方法：利用添加剂与氧化石墨烯制备混合溶液，之后将混合溶液液氮冷冻，进一步在冻干机中干燥后，并在不同温度处理即可得到部分还原或完全还原的自支撑氧化石墨烯卷网络结构材料，在与预定材料结合制得复合材料。本发明提供的复合材料的结构避免了石墨烯的堆叠，利用石墨烯较大的比表面积，同时卷间的连接良好，且具有一定的柔性；当复合材料为硫，并将其作用锂硫电池正极时，利用部分还原的氧化石墨卷网络结构材料其自支撑的结构避免粘接剂的使用，增大电极比容量，石墨烯卷极大的比表面积和表面的含氧官能团有利于提高电池的库伦效率和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，特别涉及一种基于自支撑还原氧化石墨烯卷的复合材料及制备方法。

背景技术

石墨烯卷是由石墨烯卷曲形成的类似于径向未封闭的碳纳米管的一维结构。这种介于石墨烯和碳纳米管的材料不仅具有高电子迁移率和高机械强度，还具有不同于两者的独特的优异的电学和力学性能。这种结构不仅避免了石墨烯片层容易堆叠团聚的问题，保持其较大的比表面积，而且相对于具有封闭结构的碳纳米管，石墨烯卷其片层的卷曲结构使其更容易填充复合其他材料，在超级电容器，锂电池方面等能源方面具有广泛的应用价值。以往的石墨烯卷制备，包括电弧放电、高能球磨，化学法；前两种由于难以控制产物中含有大量的石墨和无定型碳，使得石墨烯卷难以分离。化学法中通过采用部分还原氧化石墨烯，然后进行冷冻干燥使之形成卷状结构。以上方法得到的样品一般是分散的石墨烯卷粉末，不能形成自支撑的结构，同时上述方法不能制备出氧化石墨烯卷，制备的石墨烯卷的卷直径一般在1000nm以下，其成分、结构、尺度范围都受到限制，大大影响了其应用领域。

随着社会的发展进步，环境问题的严峻，发展清洁能源日益受到重视。在储能技术中，传统锂离子电池理论能量密度的限制不能匹配目前各类电子产品的应用，满足日益增长的储能要求。锂硫电池由于较高的理论比容量(1672 mAh/g)和能量密度(2600Wh/Kg)受到广泛的关注，并且硫的成本低廉，环境友好，储量丰富使得其具有较高的应用价值和潜力。但硫及放电产物硫化锂 (Li2S)的不导电性，充放电过程中硫体积的变化(～75％)以及放电产生的中间产物多硫化锂易溶解于电解液制约着其商业化应用。

因此，如何将石墨烯卷材料与传统材料结合，以增加石墨烯卷材料的应用领域和应用价值意义重大。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种基于自支撑还原氧化石墨烯卷的复合材料及其制备方法，具有将石墨烯卷材料与传统材料结合，以增加石墨烯卷材料的应用领域和应用价值。

特别地，本发明提供一种基于自支撑还原氧化石墨烯卷的复合材料，预定材料均匀地分布在所述自支撑还原氧化石墨烯卷上，自支撑还原氧化石墨烯卷与所述预定材料的复合网络结构为由表面分布了所述预定材料的自支撑还原氧化石墨烯卷相互交叠搭接成的自支撑三维多孔网络结构；基于自支撑还原氧化石墨烯卷的复合材料具有一定的形状和柔性,可被加工或者切割成任意形状。

进一步地，所述预定材料可以是有机、无机材料或者二者的混合材料；

优选地，所述有机材料包括导电高聚物、碳纳米材料。

优选地，所述无机材料包括硫、硅、碳纳米材料以及多种氧化物。

进一步地，所述自支撑还原氧化石墨烯卷为部分还原或完全还原的氧化石墨烯卷，所述自支撑还原氧化石墨烯卷的构成元素中的碳与氧的质量比可调控；

进一步地，所述自支撑还原氧化石墨烯卷与预定材料的复合网络材料中预定材料的质量分数可调。

进一步地，所述自支撑还原氧化石墨烯卷网络材料的孔隙率可调，优选为 10-99％。

进一步地，所述自支撑还原氧化石墨烯卷网络材料的密度可调，优选地为小于10mg/cm³。