碳纳米管-石墨烯复合纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种碳纳米管‑石墨烯复合纤维及其制备方法和应用，该方法包括：(1)将氧化石墨烯进行与溶剂混合后进行超声分散，得到氧化石墨烯纺丝液；(2)将所述氧化石墨烯纺丝液进行湿法纺丝，得到氧化石墨烯纤维；(3)将所述氧化石墨烯纤维置于热化学气相沉积炉中，持续通入氢气和反应前驱体气体进行反应，得到碳纳米管‑石墨烯复合纤维。采用该方法可以制备得到力学性能和导电性能优异的碳纳米管‑石墨烯复合纤维，并且该制备过程无需催化剂，具有操作简单，可规模化制备的特点。

Carbon nanotubes-graphene composite fibers and their preparation methods and Applications

The invention discloses a carbon nanotube graphene composite fiber and its preparation method and application. The method comprises: (1) ultrasonic dispersion of graphene oxide after mixing with solvent to obtain graphene oxide spinning solution; (2) wet spinning of the graphene oxide spinning solution to obtain graphene oxide fiber; (3) placing the graphene oxide fiber in thermochemical vapor phase. Carbon nanotubes and graphene composite fibers were prepared by continuous reaction of hydrogen and precursor gases in the deposition furnace. Carbon nanotubes graphene composite fibers with excellent mechanical properties and electrical conductivity can be prepared by this method. The preparation process does not need catalyst, and has the characteristics of simple operation and large-scale preparation.

【技术实现步骤摘要】
碳纳米管-石墨烯复合纤维及其制备方法和应用
本专利技术属于碳材料制备领域，具体而言，本专利技术涉及碳纳米管-石墨烯复合纤维及其制备方法和应用。
技术介绍
石墨烯自2004年被发现以来，由于其优异的导电、导热、机械、电子迁移率等诸多性能成为最具发展潜力的碳材料。石墨烯研究应用中的一个重要难题是石墨烯材料宏观结构的设计和有效组装。2011年浙江大学通过氧化石墨烯的湿法纺丝、化学还原的方法制备出了柔性石墨烯纤维，拓展了石墨烯的应用。但由于石墨烯片层相互作用力小等原因，目前的石墨烯纤维无论是强度还是导电性能均不够理想。为解决这一问题，研究者们通过将同样具有优异力学性能和导电性能的碳纳米管与石墨烯复合，使两种材料相互支撑，从而提高内部孔隙率的同时，提高其力学和导电性能。然而现有技术制备得到的碳纳米管-石墨烯复合纤维力学性能和导电性能均不理想。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种碳纳米管-石墨烯复合纤维及其制备方法和应用，采用该方法可以制备得到力学性能和导电性能优异的碳纳米管-石墨烯复合纤维，并且该制备过程无需催化剂，具有操作简单，可规模化制备的特点。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备碳纳米管-石墨烯复合纤维的方法。根据本专利技术的实施例，所述方法包括：(1)将氧化石墨烯进行与溶剂混合后进行超声分散，得到氧化石墨烯纺丝液；(2)将所述氧化石墨烯纺丝液进行湿法纺丝，得到氧化石墨烯纤维；(3)将所述氧化石墨烯纤维置于热化学气相沉积炉中，持续通入氢气和反应前驱体气体进行反应，得到碳纳米管-石墨烯复合纤维。任选的，在步骤(1)中，基于1重量份的氧化石墨烯，所述溶剂的用量为50～300重量份。任选的，在步骤(1)中，所述溶剂由水、二甲基亚砜和二甲基甲酰胺中的至少之一组成。任选的，步骤(2)按照下列步骤进行：将所述氧化石墨烯纺丝液以0.1～3mL/min的挤出速度通过孔径为50～300μm的纺丝头，然后在凝固浴中停留1-5min，然后经干燥后得到所述氧化石墨烯纤维。任选的，所述凝固浴由乙醇、甲醇、乙酸乙酯、丙酮和丁酮中的至少之一组成。任选的，步骤(3)按照下列步骤进行：(3-1)将所述氧化石墨烯纤维置于热化学气相沉积炉中，抽真空后通入100～1000mL/min的氩气；(3-2)将所述热化学气相沉积炉升温至500～1000℃，持续通入50～200mL/min的氢气和50～200mL/min的反应前驱体气体，恒温10-60min，停止加热，关闭氢气和反应前驱体气体；(3-3)继续通入100～1000mL/min的氩气，待所述热化学气相沉积炉降至室温会后关闭氩气，得到所述碳纳米管-石墨烯复合纤维。任选的，在步骤(3-2)中，所述反应前驱体气体由乙炔、甲烷、丁烷和丙酮中的至少之一组成。在本专利技术的再一个方面，本专利技术提出了一种碳纳米管-石墨烯复合纤维。根据本专利技术的实施例，所述碳纳米管-石墨烯复合纤维采用上述方法制备得到。在本专利技术的又一个方面，本专利技术提出了一种电极。根据本专利技术的实施例，所述电极采用上述碳纳米管-石墨烯复合纤维制备得到。在本专利技术的又一个方面，本专利技术提出了一种电子器件。根据本专利技术的实施例，所述电子器件具有上述电极。与现有技术相比，本申请的制备碳纳米管-石墨烯复合纤维的方法以氧化石墨烯为原料，采用湿法纺丝技术制备氧化石墨烯纤维，其中，氧化石墨烯的初级原料为石墨，来源广泛，成本低廉，并且采用湿法纺丝技术制备氧化石墨烯具有操作简便、易于实施的特点，然后将得到的氧化石墨烯置于热化学气相沉积炉中，氧化石墨烯纤维表面含氧官能团分解时产生活性生长点，使得碳纳米管原位生长于氧化石墨烯纤维表面，同时氧化石墨烯纤维通过热还原成为石墨烯纤维，得到碳纳米管-石墨烯复合纤维，该过程无需催化剂，具有操作简单，可规模化制备的特点，同时得到的碳纳米管-石墨烯复合纤维具有柔性、高强度、高比表面积和高导电性特点，将其用于制备电极材料可以显著提高电极的导电等性能，而该电极用于电子器件可以使得电子器件具有优异的导电特性。附图说明图1是实施例1所得碳纳米管-石墨烯复合纤维的电镜图；图2是实施例1所得碳纳米管-石墨烯复合纤维的电镜图。具体实施方式下面通过结合实施例对本专利技术作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利技术的保护范围。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备碳纳米管-石墨烯复合纤维的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：S1：将氧化石墨烯进行与溶剂混合后进行超声分散该步骤中，将氧化石墨烯与溶剂进行混合，然后对混合液进行超声分散，得到氧化石墨烯纺丝液。具体的，基于1重量份的氧化石墨烯，溶剂的用量为50～300重量份，并且溶剂为由水、二甲基亚砜和二甲基甲酰胺中的至少之一组成，例如溶剂可以由水、二甲基亚砜和二甲基甲酰胺中的一种或多种以任意比例混合组成。S2：将氧化石墨烯纺丝液进行湿法纺丝该步骤中，将上述步骤得到的氧化石墨烯纺丝溶液经湿法纺丝工艺制备得到氧化石墨烯纤维。具体的，将氧化石墨烯纺丝液以0.1～3mL/min的挤出速度通过孔径为50～300μm的纺丝头，然后在凝固浴中停留1～5min，然后经干燥后得到氧化石墨烯纤维，其中，凝固浴由乙醇、甲醇、乙酸乙酯、丙酮和丁酮中的至少之一组成，例如凝固液可以由乙醇、甲醇、乙酸乙酯、丙酮、丁酮等物质中的一种或多种以任意比例混合组成。S3：将氧化石墨烯纤维置于热化学气相沉积炉中，持续通入氢气和反应前驱体气体进行反应该步骤中，将上述得到的氧化石墨烯置于热化学气相沉积炉中，抽真空后通入100～1000mL/min的氩气；然后将热化学气相沉积炉升温至500～1000℃，持续通入50～200mL/min的氢气和50～200mL/min的反应前驱体气体，恒温10-60min，停止加热，关闭氢气和反应前驱体气体；继续通入100～1000mL/min的氩气，待热化学气相沉积炉降至室温会后关闭氩气，得到碳纳米管-石墨烯复合纤维，其中，反应前驱体气体由乙炔、甲烷、丁烷和丙酮中的至少之一组成，例如反应前驱体气体可以由乙炔、甲烷、丁烷、丙酮等物质中的一种或多种以任意比例混合组成。前驱体气体在高温惰性气氛中裂解产生碳源，并在氧化石墨烯片的活性点生长形成碳纳米管。具体的，碳纳米管-石墨烯复合纤维中碳纳米管质量占石墨烯质量的1～5％。本申请的制备碳纳米管-石墨烯复合纤维的方法以氧化石墨烯为原料，采用湿法纺丝技术制备氧化石墨烯纤维，其中，氧化石墨烯的初级原料为石墨，来源广泛，成本低廉，并且采用湿法纺丝技术制备氧化石墨烯具有操作简便、易于实施的特点，然后将得到的氧化石墨烯置于热化学气相沉积炉中，氧化石墨烯纤维表面含氧官能团分解时产生活性生长点，使得碳纳米管原位生长于氧化石墨烯纤维表面，同时氧化石墨烯纤维通过热还原成为石墨烯纤维，得到碳纳米管-石墨烯复合纤维，该过程无需催化剂，具有操作简单，可规模化制备的特点，同时得到的碳纳米管-石墨烯复合纤维具有柔性、高强度、高比表面积和高导电性特点。在本专利技术的再一个方面，本专利技术提出了一种碳纳米管-石墨烯复合纤维。根据本专利技术的实施例，所述碳纳米管-石墨烯复合纤维采用上述所述的方法制备得到。由此，该碳纳米管-石墨烯复合纤维具有柔性、高强度、高比表面积和高导电性特点。在本专利技术的又一个方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备碳纳米管‑石墨烯复合纤维的方法，其中，包括：(1)将氧化石墨烯进行与溶剂混合后进行超声分散，得到氧化石墨烯纺丝液；(2)将所述氧化石墨烯纺丝液进行湿法纺丝，得到氧化石墨烯纤维；(3)将所述氧化石墨烯纤维置于热化学气相沉积炉中，持续通入氢气和反应前驱体气体进行反应，得到碳纳米管‑石墨烯复合纤维。

【技术特征摘要】
1.一种制备碳纳米管-石墨烯复合纤维的方法，其中，包括：(1)将氧化石墨烯进行与溶剂混合后进行超声分散，得到氧化石墨烯纺丝液；(2)将所述氧化石墨烯纺丝液进行湿法纺丝，得到氧化石墨烯纤维；(3)将所述氧化石墨烯纤维置于热化学气相沉积炉中，持续通入氢气和反应前驱体气体进行反应，得到碳纳米管-石墨烯复合纤维。2.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(1)中，基于1重量份的氧化石墨烯，所述溶剂的用量为50～300重量份。3.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述溶剂由水、二甲基亚砜和二甲基甲酰胺中的至少之一组成。4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(2)按照下列步骤进行：将所述氧化石墨烯纺丝液以0.1～3mL/min的挤出速度通过孔径为50～300μm的纺丝头，然后在凝固浴中停留1～5min，然后经干燥后得到所述氧化石墨烯纤维。5.如权利要求4所述的方法，其中，所述凝固浴由乙醇、甲醇、乙酸乙酯、丙酮和丁酮中的至少之一组成。6.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：童元建，徐樑华，高爱君，李常清，曹维宇，王宇，赵振文，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11