石墨烯碳纳米管复合材料制备、性能及应用研究

2015-10-10苏江

橡塑技术与装备 2015年22期

关键词：导电性碳纳米管储能

苏江

（海聚高分子材料科技（广州）有限公司，广东广州 510730）

石墨烯碳纳米管复合材料制备、性能及应用研究

苏江

（海聚高分子材料科技（广州）有限公司，广东广州 510730）

石墨烯和纳米管均为纳米尺寸的碳材料，这些材料和其他材料相比具有良好的表面积和良好的导电性能，且机械性能也相对良好，利用合适的制备方法制备石墨烯碳纳米管材料能够在不同材料之间产生协同作用，使得单一材料的物理、化学性能均得到增强，并且在较多领域具有较大的应用前景。本文以石墨烯/碳纳米管复合材料为基础，介绍石墨烯碳纳米管复合材料制备方法，分析石墨烯碳纳米管复合材料的应用前景，使得该符合材料向其他领域延伸和拓展。

石墨烯；纳米管；复合材料；制备方法；应用前景

碳纳米管（CNT）和石墨烯（Graphene）是常见的材料，分别在1991年和2004年被发现，并且从材料发现一直受到人们的重视。碳纳米管属于一种结构相对特殊的一维量分子材料，该材料直径能够做到纳米级别，轴向尺寸为微纳米级，管的两端均为封口，保证碳纳米管材料具有足够的强度，石墨烯：各种石墨形体之母见图1。

图1 石墨烯：各种石墨形体之母

石墨烯和碳纳米管在电力学和力学等方面具有类似的性质，但是这两种材料由于结构不尽相同，其表现出现的性能也存在一定差异。碳纳米管和石墨烯均为优良的一维和二维材料，它们能够体现出一维和二维的不同向异性。为了进一步提高不同材料的优点，人们开始将石墨烯和碳纳米管结合形成复合材料，从而形成三维网状结构，这种复合材料的性能显著优于任何一种材料。

本文将以石墨烯碳纳米管复合材料的制备为起点，分析石墨烯碳纳米管复合材料在生活中的应用，现综述如下。

1 石墨烯碳纳米管复合材料制备

为获得石墨烯碳纳米管复合材料，研究过程中需要使用的材料和仪器包括：石墨、浓硫酸、高锰酸钾、30%过氧化氢，材料为分析纯，实验用水均为超纯水。

（1）GO的制备。采用改进后的Hummers法制备GO：室温条件下将6 g石墨中加入有150 ml浓硫酸的烧杯中，在冰浴条件下缓慢加入21 g高锰酸钾后，将反应液转移到温度为35 ℃水浴中进行充分搅拌，进行2 h反应，待反应结束后加入约500 ml冰水进行稀释，然后滴加质量分数为30%的H2O2水溶液，直到溶液内无气泡产生为主，抽滤，并将金黄色滤饼采用大量水进行冲洗，将得到的GO粉末在温度为50 ℃真空干燥箱中进行干燥过夜。

（2） MRGO的制备。石墨烯碳纳米管复合材料在制备过程中取20 g制备好的GO，并将其放置在玻璃小瓶中，将获得的材料放置在微波炉内，在功率为1000 W下进行1 min微波。

（3）复合材料 Gr/CNTs制备。待获得上述材料后，准确称取20 mg MRGO以及40 mg二茂铁放入到玛瑙研钵体中，进行30 min研钵，研钵时保证两种材料的充分混合均匀，然后将研钵得到材料的混合黑色体粉末移到玻璃小瓶中，在相同条件下放入1 000 W下的微波炉中进行1 min微波，此时能够获得形态相对均匀的石墨烯碳纳米管复合材料。其复合材料具体的制备过程见图2。

图2 石墨烯碳纳米管复合材料的制备过程示意图

2 复合材料性能分析

（1）GO性能分析。GO制备过程中存在一定的导电性，容易直接影响微波对其的吸收能力，并且GO的氧化程度越高，表明GO的导电性越差，吸收微波的能力也就越差。

（2） MRGO性能分析。微波过程中能够观察到，不同材料反映体系放出的活化，这属于GO材料被还原和剥离膨化的过程。

（3）复合材料 Gr/CNTs性能分析。从复合材料Gr/CNTs结构可以看出：该复合材料结构相对均匀，该材料具有较高的比电容，能够进行能量储存；同时，该材料还具有较强的导电性，机械性能较好。

3 石墨烯碳纳米管复合材料的应用

目前，对于石墨烯碳纳米管复合材料而言使用相对较多，常见的包括：超级电容、光电转换器件中、储能电池等，使得该材料在日常应用中发挥了重要的作用，具体如下几点。

（1）超级电容。超级电容器的储能密度、稳定性以及可使用性等性能等取决于电极材料的性能。近年来，随着商业化的不断加剧，活性炭电极材料超级电容器的比能量能够达到0.2～20 Wh/kg，其远低于镍氢电池的60～80 Wh/kg以及锂离子电池的100～120 Wh/kg。其原因主要在于活性炭的比表面积的利用率相对较低。基于石墨烯/碳纳米管复合材料的双电层电容器则能够解决上述问题。该材料能够在高扫描速率下仍然存在较高的比电容，能提供更多的电子运输通道，使得其导电性更加出色。并且该复合材料的电极比电容能够达到385 F/g，该材料能够通过氧化还原反应进行能量的储存，并且该材料对环境的污染相对较少，属于一种新兴的储能材料。

（2）光电转换器件。石墨烯碳纳米管复合材料在光电转换器中也得到广泛的应用，且该材料更多的用于电极材料，尤其是采用石墨烯碳纳米管复合材料制备的透明导电电极，它能够在发光器件、太阳能电池能领域中均得到较多的应用。由于石墨烯碳纳米管复合材料能够发挥不同材料之间的协同作用，使得石墨烯碳纳米管复合材料制备对电极比单独一种材料制备对电极得到的染料敏化太阳能电池性能好。该材料的适应能够进一步增强其导线作用，使得石墨烯片相互连接，从而形成网络结构，更加有利于太阳能的吸收，也增加了电流传导速率。同时，石墨烯碳纳米管复合材料的发现能够为制备透明导电电极等开辟一条新的途径。由于复合材料在电荷迁移率、透光性、化学稳定性等方面优异的性能，使得该材料也是理想的导电柔性光学元件等。

（3）储能电池。近年来，随着我国经济的飞速发展，储能电池在我国得到应用，常见的电池主要包括：锂电池、燃料电池等，这些电池均对推动我国经济发展发挥了重要作用。传统材料做出的储电池密度相对较高，机械性能差等，使其不能满足人们的需要。石墨烯碳纳米管复合材料的应用具有较大的比表面积、良好的导电性和良好的机械性能，被认为是最有潜力的电极替代材料。同时，石墨烯碳纳米管复合材料在燃烧电池中也得到广泛应用，该材料不仅能够增强催化活性、提高导电能力，还能够降低燃烧材料的生产成本，能够实现更大的商品价值。

（4）其他应用。石墨烯碳纳米管复合材料除上述应用外，在其他领域也有着广泛的应用，如电化学传感器、染料的吸附剂、激光解吸电离飞行时间质谱（LDI-TOF-MS）的辅助基质等，使得该材料发挥了重要的作用。