石墨烯碳納米管復(fù)合材料制備、性能及應(yīng)用研究

蘇江

（海聚高分子材料科技（廣州）有限公司，廣東 廣州 510730）

石墨烯碳納米管復(fù)合材料制備、性能及應(yīng)用研究

蘇江

（海聚高分子材料科技（廣州）有限公司，廣東 廣州 510730）

石墨烯和納米管均為納米尺寸的碳材料，這些材料和其他材料相比具有良好的表面積和良好的導(dǎo)電性能，且機(jī)械性能也相對良好，利用合適的制備方法制備石墨烯碳納米管材料能夠在不同材料之間產(chǎn)生協(xié)同作用，使得單一材料的物理、化學(xué)性能均得到增強(qiáng)，并且在較多領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。本文以石墨烯/碳納米管復(fù)合材料為基礎(chǔ)，介紹石墨烯碳納米管復(fù)合材料制備方法，分析石墨烯碳納米管復(fù)合材料的應(yīng)用前景，使得該符合材料向其他領(lǐng)域延伸和拓展。

石墨烯；納米管；復(fù)合材料；制備方法；應(yīng)用前景

碳納米管（CNT）和石墨烯（Graphene）是常見的材料，分別在1991年和2004年被發(fā)現(xiàn)，并且從材料發(fā)現(xiàn)一直受到人們的重視。碳納米管屬于一種結(jié)構(gòu)相對特殊的一維量分子材料，該材料直徑能夠做到納米級別，軸向尺寸為微納米級，管的兩端均為封口，保證碳納米管材料具有足夠的強(qiáng)度，石墨烯：各種石墨形體之母見圖1。

圖1 石墨烯：各種石墨形體之母

石墨烯和碳納米管在電力學(xué)和力學(xué)等方面具有類似的性質(zhì)，但是這兩種材料由于結(jié)構(gòu)不盡相同，其表現(xiàn)出現(xiàn)的性能也存在一定差異。碳納米管和石墨烯均為優(yōu)良的一維和二維材料，它們能夠體現(xiàn)出一維和二維的不同向異性。為了進(jìn)一步提高不同材料的優(yōu)點(diǎn)，人們開始將石墨烯和碳納米管結(jié)合形成復(fù)合材料，從而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合材料的性能顯著優(yōu)于任何一種材料。

本文將以石墨烯碳納米管復(fù)合材料的制備為起點(diǎn)，分析石墨烯碳納米管復(fù)合材料在生活中的應(yīng)用，現(xiàn)綜述如下。

1 石墨烯碳納米管復(fù)合材料制備

為獲得石墨烯碳納米管復(fù)合材料，研究過程中需要使用的材料和儀器包括：石墨、濃硫酸、高錳酸鉀、30%過氧化氫，材料為分析純，實(shí)驗(yàn)用水均為超純水。

（1）GO的制備。采用改進(jìn)后的Hummers法制備GO：室溫條件下將6 g石墨中加入有150 ml濃硫酸的燒杯中，在冰浴條件下緩慢加入21 g高錳酸鉀后，將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移到溫度為35 ℃水浴中進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁M(jìn)行2 h反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后加入約500 ml冰水進(jìn)行稀釋，然后滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O2水溶液，直到溶液內(nèi)無氣泡產(chǎn)生為主，抽濾，并將金黃色濾餅采用大量水進(jìn)行沖洗，將得到的GO粉末在溫度為50 ℃真空干燥箱中進(jìn)行干燥過夜。

（2） MRGO的制備。石墨烯碳納米管復(fù)合材料在制備過程中取20 g制備好的GO，并將其放置在玻璃小瓶中，將獲得的材料放置在微波爐內(nèi)，在功率為1000 W下進(jìn)行1 min微波。

（3）復(fù)合材料 Gr/CNTs制備。待獲得上述材料后，準(zhǔn)確稱取20 mg MRGO以及40 mg二茂鐵放入到瑪瑙研缽體中，進(jìn)行30 min研缽，研缽時(shí)保證兩種材料的充分混合均勻，然后將研缽得到材料的混合黑色體粉末移到玻璃小瓶中，在相同條件下放入1 000 W下的微波爐中進(jìn)行1 min微波，此時(shí)能夠獲得形態(tài)相對均勻的石墨烯碳納米管復(fù)合材料。其復(fù)合材料具體的制備過程見圖2。

圖2 石墨烯碳納米管復(fù)合材料的制備過程示意圖

2 復(fù)合材料性能分析

（1）GO性能分析。GO制備過程中存在一定的導(dǎo)電性，容易直接影響微波對其的吸收能力，并且GO的氧化程度越高，表明GO的導(dǎo)電性越差，吸收微波的能力也就越差。

（2） MRGO性能分析。微波過程中能夠觀察到，不同材料反映體系放出的活化，這屬于GO材料被還原和剝離膨化的過程。

（3）復(fù)合材料 Gr/CNTs性能分析。從復(fù)合材料Gr/CNTs結(jié)構(gòu)可以看出：該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相對均勻，該材料具有較高的比電容，能夠進(jìn)行能量儲存；同時(shí)，該材料還具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性，機(jī)械性能較好。

3 石墨烯碳納米管復(fù)合材料的應(yīng)用

目前，對于石墨烯碳納米管復(fù)合材料而言使用相對較多，常見的包括：超級電容、光電轉(zhuǎn)換器件中、儲能電池等，使得該材料在日常應(yīng)用中發(fā)揮了重要的作用，具體如下幾點(diǎn)。

（1）超級電容。超級電容器的儲能密度、穩(wěn)定性以及可使用性等性能等取決于電極材料的性能。近年來，隨著商業(yè)化的不斷加劇，活性炭電極材料超級電容器的比能量能夠達(dá)到0.2～20 Wh/kg，其遠(yuǎn)低于鎳氫電池的60～80 Wh/kg以及鋰離子電池的100～120 Wh/kg。其原因主要在于活性炭的比表面積的利用率相對較低。基于石墨烯/碳納米管復(fù)合材料的雙電層電容器則能夠解決上述問題。該材料能夠在高掃描速率下仍然存在較高的比電容，能提供更多的電子運(yùn)輸通道，使得其導(dǎo)電性更加出色。并且該復(fù)合材料的電極比電容能夠達(dá)到385 F/g，該材料能夠通過氧化還原反應(yīng)進(jìn)行能量的儲存，并且該材料對環(huán)境的污染相對較少，屬于一種新興的儲能材料。

（2）光電轉(zhuǎn)換器件。石墨烯碳納米管復(fù)合材料在光電轉(zhuǎn)換器中也得到廣泛的應(yīng)用，且該材料更多的用于電極材料，尤其是采用石墨烯碳納米管復(fù)合材料制備的透明導(dǎo)電電極，它能夠在發(fā)光器件、太陽能電池能領(lǐng)域中均得到較多的應(yīng)用。由于石墨烯碳納米管復(fù)合材料能夠發(fā)揮不同材料之間的協(xié)同作用，使得石墨烯碳納米管復(fù)合材料制備對電極比單獨(dú)一種材料制備對電極得到的染料敏化太陽能電池性能好。該材料的適應(yīng)能夠進(jìn)一步增強(qiáng)其導(dǎo)線作用，使得石墨烯片相互連接，從而形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，更加有利于太陽能的吸收，也增加了電流傳導(dǎo)速率。同時(shí)，石墨烯碳納米管復(fù)合材料的發(fā)現(xiàn)能夠?yàn)橹苽渫该鲗?dǎo)電電極等開辟一條新的途徑。由于復(fù)合材料在電荷遷移率、透光性、化學(xué)穩(wěn)定性等方面優(yōu)異的性能，使得該材料也是理想的導(dǎo)電柔性光學(xué)元件等。

（3）儲能電池。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，儲能電池在我國得到應(yīng)用，常見的電池主要包括：鋰電池、燃料電池等，這些電池均對推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。傳統(tǒng)材料做出的儲電池密度相對較高，機(jī)械性能差等，使其不能滿足人們的需要。石墨烯碳納米管復(fù)合材料的應(yīng)用具有較大的比表面積、良好的導(dǎo)電性和良好的機(jī)械性能，被認(rèn)為是最有潛力的電極替代材料。同時(shí)，石墨烯碳納米管復(fù)合材料在燃燒電池中也得到廣泛應(yīng)用，該材料不僅能夠增強(qiáng)催化活性、提高導(dǎo)電能力，還能夠降低燃燒材料的生產(chǎn)成本，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的商品價(jià)值。

（4）其他應(yīng)用。石墨烯碳納米管復(fù)合材料除上述應(yīng)用外，在其他領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，如電化學(xué)傳感器、染料的吸附劑、激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜（LDI-TOF-MS）的輔助基質(zhì)等，使得該材料發(fā)揮了重要的作用。

3 結(jié)語

綜上所述，石墨烯碳納米管復(fù)合材料具有非常優(yōu)良的物理、化學(xué)性能，該復(fù)合材料能夠發(fā)揮其協(xié)同反應(yīng)，使得石墨烯碳納米管復(fù)合材料的導(dǎo)電性、機(jī)械性等性能得到進(jìn)一步增強(qiáng)。并且該材料制備方法相對較低，材料容易獲得，生產(chǎn)成本也相對較低。

同時(shí)，隨著人們對該復(fù)合材料的不斷應(yīng)用，該材料在超級電容、光電轉(zhuǎn)換器件中、儲能電池等方面均得到廣泛應(yīng)用。我們相信在不久的將來，石墨烯碳納米管復(fù)合材料將會(huì)向其他領(lǐng)域延伸，使用范圍也將更加廣泛。

［1］ 莫尊理，王博，趙國平，等. 石墨烯/碳納米管復(fù)合薄膜的制備進(jìn)展［J］. 應(yīng)用化學(xué)，2014，31（8）：871～877.

［2］ 劉艷，牛衛(wèi)芬，徐嵐. 基于層層自組裝技術(shù)制備石墨烯/多壁碳納米管共修飾的過氧化氫傳感器的研究［J］. 分析化學(xué)，2011，39（11）：1676～1681.

［3］ 趙冬梅，李振偉，劉領(lǐng)弟，等. 石墨烯 /碳納米管復(fù)合材料的制備及應(yīng)用進(jìn)展 ［J］. 化學(xué)學(xué)報(bào)，2014，72（39）：185～200.

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Preparation, properties and applications research of graphene carbon nanotube composites

O646.54；TB332

1009-797X （2015） 22-0009-03

A DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.22.002

蘇江（1974-），工程師，多年從事涂料、膠粘劑和功能性復(fù)合材料的研究。

2015-10-11