三维石墨烯复合材料、其制造方法及应用技术

一种三维石墨烯复合材料，包括三维石墨烯、依附于所述三维石墨烯上的多个纳米颗粒和/或至少一层纳米薄膜。该三维石墨烯复合材料将石墨烯材料与纳米颗粒和或/纳米薄膜材料结合在一起，充分结合了上述各材料的优点，而同时又避免了各材料的缺点。

Three dimensional graphene composite material, manufacturing method and application thereof

A three-dimensional graphene composite material comprises a three-dimensional graphene, a plurality of nanoparticles attached to the three-dimensional graphene, and/or at least one layer of nanofilm. The three-dimensional graphene composite combines the graphene materials with nanoparticles and / or nanomaterials, which fully combines the advantages of these materials and avoids the shortcomings of each material.

【技术实现步骤摘要】
三维石墨烯复合材料、其制造方法及应用
本公开涉及三维石墨烯复合材料、其制造方法及应用。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。目前，石墨烯在诸多方面存在非常有前景的应用，但在实用化过程中也存在诸多待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供一种三维石墨烯复合材料，包括三维石墨烯、依附于所述三维石墨烯上的多个纳米颗粒和/或至少一层纳米薄膜。在一种实施方式中，例如，所述三维石墨烯复合材料包括三维石墨烯、依附于所述三维石墨烯上的所述多个纳米颗粒和所述至少一层纳米薄膜。在一种实施方式中，例如，所述多个纳米颗粒附着于所述三维石墨烯之上，所述至少一层纳米薄膜包覆所述多个纳米颗粒及所述三维石墨烯。在一种实施方式中，例如，所述多个纳米颗粒中的至少一部分附着于所述三维石墨烯之上，所述至少一层纳米薄膜的最外层纳米薄膜包覆所述多个纳米颗粒、所述三维石墨烯及其他层纳米薄膜。在一种实施方式中，例如，所述三维石墨烯具有多孔结构，平均孔道直径为10nm-200nm，优选20nm-50nm。在一种实施方式中，例如，所述三维石墨烯包括无规则地聚集在一起的若干片多层石墨烯和/或单层石墨烯。在一种实施方式中，例如，在所述若干片多层石墨烯和/或单层石墨烯中，每一片石墨烯的碳原子层数为1-10层，优选2-5层。在一种实施方式中，例如，所述纳米颗粒尺寸为2-100nm，优选3-50nm，优选5-20nm。在一种实施方式中，例如，所述纳米颗粒包括金属纳米颗粒、非金属纳米颗粒、氧化物纳米颗粒、硫化物纳米颗粒、半导体纳米颗粒和/或聚合物纳米颗粒，所述金属纳米颗粒包括Pt纳米颗粒、Au纳米颗粒、Ag纳米颗粒；所述非金属纳米颗粒包括S纳米颗粒；所述氧化物纳米颗粒包括MnO2纳米颗粒、锂复合氧化物纳米颗粒、LiCoO2纳米颗粒、LiMnO2纳米颗粒、LiMn2O4纳米颗粒、LiFePO4纳米颗粒、Li4Ti5O12纳米颗粒、镍钴锰酸锂纳米颗粒、镍钴铝酸锂纳米颗粒、Mn3O4纳米颗粒、MnO纳米颗粒、NiO纳米颗粒、Co3O4纳米颗粒、Fe2O3纳米颗粒、Fe3O4纳米颗粒、V2O5纳米颗粒、TiO2纳米颗粒；所述硫化物纳米颗粒包括MoS2纳米颗粒；所述半导体纳米颗粒包括Si纳米颗粒、ZnO纳米颗粒；所述聚合物纳米颗粒包括聚苯胺(PANI)纳米颗粒、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)纳米颗粒。在一种实施方式中，例如，所述至少一层纳米薄膜中每一单层纳米薄膜厚度为2-100nm，优选3-50nm，优选5-20nm。在一种实施方式中，例如，所述纳米薄膜包括金属纳米薄膜、非金属纳米薄膜、氧化物纳米薄膜、硫化物纳米薄膜、半导体纳米薄膜和/或聚合物纳米薄膜，所述金属纳米薄膜包括Pt纳米薄膜、Au纳米薄膜、Ag纳米薄膜；所述非金属纳米薄膜包括S纳米薄膜；所述氧化物纳米薄膜包括MnO2纳米薄膜、锂复合氧化物纳米薄膜、LiCoO2纳米薄膜、LiMnO2纳米薄膜、LiMn2O4纳米薄膜、LiFePO4纳米薄膜、Li4Ti5O12纳米薄膜、镍钴锰酸锂纳米薄膜、镍钴铝酸锂纳米薄膜、Mn3O4纳米薄膜、MnO纳米薄膜、NiO纳米薄膜、Co3O4纳米薄膜、Fe2O3纳米薄膜、Fe3O4纳米薄膜、V2O5纳米薄膜、TiO2纳米薄膜；所述硫化物纳米薄膜包括MoS2纳米薄膜；所述半导体纳米薄膜包括Si纳米薄膜、ZnO纳米薄膜；所述聚合物纳米薄膜包括聚苯胺(PANI)纳米薄膜、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)纳米薄膜。在一种实施方式中，例如，对所述三维石墨烯通过物理或化学的方法进行表面修饰，所述表面修饰包括在所述三维石墨烯表面造成空位、边缘等缺陷、在所述三维石墨烯表面掺杂原子、在所述三维石墨烯表面共价连接官能团、和/或在所述三维石墨烯表面共价连接高分子单体或高分子寡聚物。在一种实施方式中，例如，所述三维石墨烯复合材料质量比表面积在200m2/g以上。本专利技术的实施例提供一种电极，包括如上所述的三维石墨烯复合材料。本专利技术的实施例提供一种超级电容器，包括电解液、隔膜、集流体和如上所述的电极。本专利技术的实施例提供一种电池，包括如上所述的电极。本专利技术的实施例提供一种锂离子电池，包括如上所述的电极作为正极，其中所述纳米颗粒包括锂复合氧化物纳米颗粒、LiCoO2纳米颗粒、LiMnO2纳米颗粒、LiMn2O4纳米颗粒、LiFePO4纳米颗粒、Li4Ti5O12纳米颗粒、镍钴锰酸锂纳米颗粒、镍钴铝酸锂纳米颗粒。本专利技术的实施例提供一种锂离子电池，包括如上所述的电极作为负极，其中所述纳米颗粒包括Si纳米颗粒、SiO2纳米颗粒、MnO2纳米颗粒、Mn3O4纳米颗粒、MnO纳米颗粒。本专利技术的实施例提供一种三维石墨烯复合材料的制造方法，包括：采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法，以含碳气体和增强气体的混和气体作为碳源，在衬底上生长三维石墨烯；在所述三维石墨烯表面制备多个纳米颗粒和/或至少一层纳米薄膜；其中，所述增强气体包括氩气和氮气。在一种实施方式中，例如，在上述方法中，所述含碳气体与所述增强气体的体积比为10:1-1:5。在一种实施方式中，例如，在上述方法中，所述增强气体进一步包括氢气。在一种实施方式中，例如，在上述方法中，所述增强气体中氩气、氮气和氢气的体积比为1-5：1-5：1-20。在一种实施方式中，例如，在上述方法中，所述含碳气体和增强气体的混和气体的压强为0.01-500Pa，优选为150-300Pa，进一步优选为200-250Pa。在一种实施方式中，例如，在上述方法中，所述在所述三维石墨烯表面制备多个纳米颗粒和/或至少一层纳米薄膜包括：通过直接沉积法、电化学沉积法、湿化学法沉积法、气相沉积法或原子沉积法等方法在所述三维石墨烯表面制备多个纳米颗粒和/或至少一层纳米薄膜。在一种实施方式中，例如，在上述方法中，所述在衬底上生长三维石墨烯的生长温度范围为650-1000℃，优选800-900℃。在一种实施方式中，例如，在上述方法中，所述含碳气体包括CH4,C2H2,C2F6。在一种实施方式中，例如，在上述方法中，还包括活化步骤，通过所述活化步骤，在石墨烯片层上形成大量微孔，尺寸为0.5～5nm，优选1～3nm。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本专利技术的一些实施例，而非对本专利技术的限制。图1为本专利技术一实施例提供的基于三维石墨烯-MnO2纳米颗粒复合材料的超级电容器电极伏安试验结果图；图2本专利技术一实施例提供的基于三维石墨烯-PEDOT纳米薄膜复合材料的超级电容器电极伏安试验结果图；图3为本专利技术一实施例提供的基于三维石墨烯-MnO2纳米颗粒-PANI纳米薄膜复合材料超级电容器电极伏安试验结果图；图4为图3同一电极材料进行20万次伏安试验后的结果；图5是本专利技术一实施例提供的三维石墨烯材料(未负载纳米颗粒或纳米薄膜)的SEM电镜照片顶视图；图6是本专利技术一实施例提供的三维石墨烯材料(未负载纳米颗粒或纳米薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维石墨烯复合材料，包括三维石墨烯、依附于所述三维石墨烯上的多个纳米颗粒和/或至少一层纳米薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种三维石墨烯复合材料，包括三维石墨烯、依附于所述三维石墨烯上的多个纳米颗粒和/或至少一层纳米薄膜。2.根据权利要求1所述的三维石墨烯复合材料，其特征在于，所述三维石墨烯复合材料包括三维石墨烯、依附于所述三维石墨烯上的所述多个纳米颗粒和所述至少一层纳米薄膜。3.根据权利要求2所述的三维石墨烯复合材料，其特征在于，所述多个纳米颗粒附着于所述三维石墨烯之上，所述至少一层纳米薄膜包覆所述多个纳米颗粒及所述三维石墨烯。4.根据权利要求2所述的三维石墨烯复合材料，其特征在于，所述多个纳米颗粒中的至少一部分附着于所述三维石墨烯之上，所述至少一层纳米薄膜的最外层纳米薄膜包覆所述多个纳米颗粒、所述三维石墨烯及其他层纳米薄膜。5.根据权利要求1-4的任一项所述的三维石墨烯复合材料，其特征在于，所述三维石墨烯具有多孔结构，平均孔道直径为10nm-200nm，优选20nm-50nm。6.根据权利要求1-4的任一项所述的三维石墨烯复合材料，其特征在于，所述三维石墨烯包括无规则地聚集在一起的若干片多层石墨烯和/或单层石墨烯。7.根据权利要求6所述的三维石墨烯复合材料，其特征在于，在所述若干片多层石墨烯和/或单层石墨烯中，每一片石墨烯的碳原子层数为1-10层，优选2-5层。8.根据权利要求1-4的任一项所述的三维石墨烯复合材料，其特征在于，所述纳米颗粒尺寸为2-100nm，优选3-50nm，优选5-20nm。9.根据权利要求1-4的任一项所述的三维石墨烯复合材料，其特征在于，所述纳米颗粒包括金属纳米颗粒、非金属纳米颗粒、氧化物纳米颗粒、硫化物纳米颗粒、半导体纳米颗粒和/或聚合物纳米颗粒，所述金属纳米颗粒包括Pt纳米颗粒、Au纳米颗粒、Ag纳米颗粒；所述非金属纳米颗粒包括S纳米颗粒；所述氧化物纳米颗粒包括MnO2纳米颗粒、锂复合氧化物纳米颗粒、LiCoO2纳米颗粒、LiMnO2纳米颗粒、LiMn2O4纳米颗粒、LiFePO4纳米颗粒、Li4Ti5O12纳米颗粒、镍钴锰酸锂纳米颗粒、镍钴铝酸锂纳米颗粒、Mn3O4纳米颗粒、MnO纳米颗粒、NiO纳米颗粒、Co3O4纳米颗粒、Fe2O3纳米颗粒、Fe3O4纳米颗粒、V2O5纳米颗粒、TiO2纳米颗粒；所述硫化物纳米颗粒包括MoS2纳米颗粒；所述半导体纳米颗粒包括Si纳米颗粒、ZnO纳米颗粒；所述聚合物纳米颗粒包括聚苯胺(PANI)纳米颗粒、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)纳米颗粒。10.根据权利要求1-4的任一项所述的三维石墨烯复合材料，其特征在于，所述至少一层纳米薄膜中每一单层纳米薄膜厚度为2-100nm，优选3-50nm，优选5-20nm。11.根据权利要求1-4的任一项所述的三维石墨烯复合材料，其特征在于，所述纳米薄膜包括金属纳米薄膜、非金属纳米薄膜、氧化物纳米薄膜、硫化物纳米薄膜、半导体纳米薄膜和/或聚合物纳米薄膜，所述金属纳米薄膜包括Pt纳米薄膜、Au纳米薄膜、Ag纳米薄膜；所述非金属纳米薄膜包括S纳米薄膜；所述氧化物纳米薄膜包括MnO2纳米薄膜、锂复合氧化物纳米薄膜、LiCoO2纳米薄膜、LiMnO2纳米薄膜、LiMn2O4纳米薄膜、LiFePO4纳米薄膜、Li4Ti5O12纳米薄膜、镍钴锰酸锂纳米薄膜、镍钴铝酸锂纳米薄膜、Mn3O4纳米薄膜、M...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝奕舟，陈剑豪，王天戌，
申请(专利权)人：广州墨羲科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44