一种制备碳系三元网络复合材料的方法技术

本发明专利技术提供了一种制备碳系三元网络复合材料的方法，属于材料科学技术领域。其做法是先对碳纤维进行纯化处理，然后在其上原位负载用于生长碳纳米管的催化剂，接着用化学气相沉积法原位生长碳纳米管，使得碳纳米管穿插在纯化碳纤维表面，形成具有真实连接点的碳系二元复合材料；最后通过原位复合氧化石墨烯，再高温还原成石墨烯，得到碳系三元通过真实连接点复合起来的网络复合材料。通过这种方法得到的碳系三元网络复合材料由于材料之前具有真实的连接点，因此电学性能与力学性能得到较大提高，且由于是原位制备，因此能充分发挥三者各自特有性能。制备过程实验设备及操作简单，适合批量生产。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了，属于材料科学
。其做法是先对碳纤维进行纯化处理，然后在其上原位负载用于生长碳纳米管的催化剂，接着用化学气相沉积法原位生长碳纳米管，使得碳纳米管穿插在纯化碳纤维表面，形成具有真实连接点的碳系二元复合材料；最后通过原位复合氧化石墨烯，再高温还原成石墨烯，得到碳系三元通过真实连接点复合起来的网络复合材料。通过这种方法得到的碳系三元网络复合材料由于材料之前具有真实的连接点，因此电学性能与力学性能得到较大提高，且由于是原位制备，因此能充分发挥三者各自特有性能。制备过程实验设备及操作简单，适合批量生产。【专利说明】
本专利技术涉及一种制备碳系材料的方法，尤其涉及。
技术介绍
碳纤维、碳纳米管、石墨烯作为重要的碳系材料，由于其各自独特的物理及化学性质而受到越来越多科学研究者及相关产品生产者的广泛关注。作为多孔碳家族中具有独特性能的一员，碳纤维为无机高分子纤维，是一种力学性能优异的新材料，它比重不到钢的1/4，抗拉强度却可以达到3500MPa，是钢的7-9倍，其抗拉弹性模量230-430GPa也高于钢。另外，其还具有密度低、变形性高、无蠕变、比热及导电性能介于非金属和金属之间、微孔发达、比表面积大及孔径分布范围窄等优异特点。因此，碳纤维在储能材料，增强材料方面有很大的应用前景。此外，碳纤维兼具纺织纤维的柔软可加工性，使其在基底材料及增强材料领域也有良好的发展前景。自1991年Iijima发现碳纳米管以来，碳纳米管就以其超强的力学性能，极高的长径比，较高的化学和热稳定性，超强的导电性能、储氢能力、吸附能力及其独特的一维纳米结构所特有的纳米效应，而得到物理界、化学界和材料界以及高新技术产业部门的广泛关注。到目前为止，碳纳米管作为分子导线、纳米半导体材料、催化剂载体、分子吸收剂及近场发射材料等都有了很大的研究进展。作为碳系材料不可或缺的一员，注定其在储能材料领域会有较好的发展前景。石墨烯于2004年由英 国科学家安德烈.杰姆和克斯特亚.诺沃塞洛夫发现，并因此使他们成为2010年的诺贝尔奖获得者。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的材料，其作为碳系同素异形体的基本单元，具有许多奇特的性能，如高的杨氏模量、良好的热导率以及大的比表面积等，其极低的电阻率和极快的电子迁移，使得其有望成为新一代电子元件或晶体管。石墨烯作为一种良好的导体，在制造触控屏幕、光板及太阳能电池方面具有很大的发展空间。碳材料的复合一直是材料界的研发热门，目前碳材料的复合一直集中在如何将碳纳米管与石墨烯复合(Fan Z.J., Yan J., Zhi L.J., Zhang Q., Wei T., Feng J., ZhangM.L., Qian ff.Z.,Wei F..Adv.Mater.2010，22，3723-3728)，但目前尚无将碳纤维、石墨烯与碳纳米管制成复合材料的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种碳系三元网络复合材料的制备方法，它能有效的获得由碳纤维、石墨烯与碳纳米管组成的碳系三元网络结构复合材料，且获得的复合材料具有优秀的电化学储能性能。本专利技术实现其专利技术目的所采用的技术方案是，，其步骤是:A、碳纤维的纯化处理将碳纤维用去离子水超声清洗处理，干燥后加入到有机溶剂中，再经超声清洗、干燥处理，得到纯化碳纤维；B、碳纳米管催化剂的负载按1:0.1~50的摩尔比配置催化剂与柠檬酸的溶液；取配置好的溶液作为碳纳米管催化剂溶液，并将A步得到的纯化碳纤维在催化剂溶液中进行浸溃，浸溃后将纯化碳纤维在50~500°C条件下进行I~300min的保温处理；重复以上的浸溃和保温处理I~200次，得到负载有碳纳米管催化剂的纯化碳纤维；C、碳系二元复合材料的制备将B步所得的负载有碳纳米管催化剂的纯化碳纤维置入管式电阻炉中部，在氩气或氮气保护下升温；升温到600-1200°C后保温，改通氢气l_350min，随后在600-1200°C下保温，通入碳源气体l_300min ;最后在氩气或氮气的保护下冷却至室温，得到碳系二元复合材料；D、碳系二元复合材料复合氧化石墨烯配置0.0Ol-lOOmg/mL的氧化石墨烯溶液，将碳系二元复合材料浸入该溶液中进行l-300min的浸液处理；然后置入马弗炉中、升温至50~300°C保温I~300min，取出、冷至室温；重复以上的浸液和保温处理I~200次，在碳系二元复合材料上原位复合氧化石墨烯；E、碳系三元网络复合材料的制备将D步得到的复合有氧化石墨烯的碳系二元复合材料置入管式电阻炉中部，升温至200-1200°C保温l_300min，最后炉冷至室温，在升温、保温及降温过程中都通入氩气或氮气作为保护气体，即得到碳系三元网络复合材料。上述A步中的有机溶剂是丙酮、酒精、N-N 二甲基甲酰胺中的一种或一种以上的混合物。上述B步中的催化剂为铁、钴或镍，以及能在600-1200°C下被氢气还原成铁、钴或镍的化合物。上述C步中的碳源气体可以是乙炔、甲烷或天然气中的一种或一种以上的混合气体。上述C步中的碳源气体为乙炔、甲烷或天然气中的一种与氩气或氮气的混合气体。本专利技术方法的机理是:利用无机溶剂和有机溶剂对碳纤维进行纯化处理以去除无机及有机杂质。在纯化碳纤维上利用化学气相沉积法原位生长碳纳米管，使碳纤维作为基底，与碳纳米管以真实的化学连接点的方式复合在一起，制备得到碳纤维/碳纳米管组成的碳系二元复合材料。在碳纤维/碳纳米管二元复合材料上原位复合石墨烯，石墨烯不但包裹在单根碳纳米管表面，而且覆盖在碳纤维/碳纳米管二元复合材料整个表面，从而得到碳纤维/碳纳米管/石墨烯网络三元碳系复合材料。与现有方法相比，本专利技术具有以下优点:一、原位复合催化剂，化学气相沉积法生长碳纳米管，使得碳纤维与碳纳米管实现具有真实化学连接点的连接，将二者有机的复合在一起，形成具有牢固结构的三维网状的多孔纤维复合材料；使复合材料的整体导电性能与力学性能得到明显提高。二、在三维网状的碳纤维/碳纳米多孔纤维二维碳系复合材料上，通过石墨烯的原位化学复合，使三种材料以真实连接点连接成一种碳系三元网络结构的复合材料，进一步加大了三种碳系材料的复合力度，石墨烯不仅均匀地覆盖在了碳纤维表面碳纳米管上，并且覆盖在碳纤维/碳纳米管复合材料表面，使得碳系三元复合材料的导电性能和力学性能有了更进一步的提高。制备的碳系三元复合材料具有优异的性能，如多孔性，力学性能，电学性能。实验证明，本专利技术制备的碳系三元网络复合材料作为电极材料，组装成电化学超级电容器，其比容量高达220.3F/g ;经过200次循环后，仅有1.7%的容量降低。下面结合附图和【具体实施方式】对本专利技术做进一步的详细说明。【专利附图】【附图说明】图1A为实施例一中C步得到的碳系二元复合材料(CF/CNT)的2500倍扫描电镜照片。图1B为实施例一 C步得到的碳系二元复合材料(CF/CNT)的5000倍扫描电镜照片。图1C为实施例一最 终制得的碳系三元网络复合材料(CF/CNT/G)的1000倍扫描电镜照片。图1D为实施例一最终制得的碳系三元网络复合材料(CF/CNT/G)的50000倍扫描电镜照片。图2为实例一 A步得到的纯化碳纤维(CF)、C步得到的碳系二元复合材料(CF/CNT)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备碳系三元网络复合材料的方法，其步骤是：A、碳纤维的纯化处理将碳纤维用去离子水超声清洗处理，干燥后加入到有机溶剂中，再经超声清洗、干燥处理，得到纯化碳纤维；B、碳纳米管催化剂的负载按1:0.1～50的摩尔比配置催化剂与柠檬酸的溶液；取配置好的溶液作为碳纳米管催化剂溶液，并将A步得到的纯化碳纤维在催化剂溶液中进行浸渍，浸渍后将纯化碳纤维在50～500℃条件下进行1～300min的保温处理；重复以上的浸渍和保温处理1～200次，得到负载有碳纳米管催化剂的纯化碳纤维；C、碳系二元复合材料的制备将B步所得的负载有碳纳米管催化剂的纯化碳纤维置入管式电阻炉中部，在氩气或氮气保护下升温；升温到600?1200℃后保温，改通氢气1?350min，随后在600?1200℃下保温，通入碳源气体1?300min；最后在氩气或氮气的保护下冷却至室温，得到碳系二元复合材料；D、碳系二元复合材料复合氧化石墨烯配置0.001?100mg/mL的氧化石墨烯溶液，将碳系二元复合材料浸入该溶液中进行1?300min的浸液处理；然后置入马弗炉中、升温至50～300℃保温1～300min，取出、冷至室温；重复以上的浸液和保温处理1～200次，在碳系二元复合材料上原位复合氧化石墨烯；E、碳系三元网络复合材料的制备将D步得到的复合有氧化石墨烯的碳系二元复合材料置入管式电阻炉中部，升温至200?1200℃保温1?300min，最后炉冷至室温，在升温、保温及降温过程中都通入氩气或氮气作为保护气体，即得到碳系三元网络复合材料。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江奇，和腊梅，蒋雪，赵勇，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：