一种石墨烯复合材料及其制备方法 |
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申请号 | CN201710685821.7 | 申请日 | 2017-08-11 | 公开(公告)号 | CN107522859A | 公开(公告)日 | 2017-12-29 |
申请人 | 德施普科技发展温州有限公司; | 发明人 | 陈海燕; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种 石墨 烯 复合材料 及其制备方法,其制备方法包括如下:步骤S10,利用凝胶-溶胶法制备高分散的纳米二 氧 化 钛 粒子;步骤S20,将 石墨烯 粉末放入到醇溶液中进行超声处理;步骤S30,在搅拌的状态下向石墨烯醇溶液中加入纳米二氧化钛粒子,混合0.5~5小时;步骤S40,将步骤S30得到的混合物进行离心分离,得到二氧化钛改性石墨烯粉末,清洗后放入到 真空 烘箱中干燥得到石墨烯复合材料。本发明的石墨烯复合材料具有高强度、工艺简单高效,在工业应用方面具有重要意义。 | ||||||
权利要求 | 1.一种石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,包括: |
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说明书全文 | 一种石墨烯复合材料及其制备方法技术领域背景技术[0002] 石墨烯,是从石墨材料中剥离出来的一种单层碳原子,它是以石墨键紧密堆积成二维蜂窝状的晶格结构,因此只有一个碳原子的厚度。石墨烯即是最薄的材料,也是最强韧的材料,其断裂强度比最好的钢材还要高200倍,同时它又具有很好的弹性,拉伸幅度能够达到自身尺寸的20%。由于石墨烯的高力学性能、高导热性能和低热膨胀性能,被认为是一种非常有前途的增强体。但石墨烯在基体材料中的分散性比较差,且石墨烯的片与片之间范德华力较大,很容易出现团聚现象,使其难溶于水及其它常用的有机溶剂,进而限制了石墨烯的进一步研究与应用。 [0003] 中国专利CN104805323A公开了一种石墨烯/钛复合材料及其制备方法,制备方法包括如下步骤:1)将氧化石墨烯加入水中,混合并进行超声分散,得澄清的氧化石墨烯溶液;2)去除钛粉表面的氧化膜;3)将去除表面氧化膜的钛粉加入所得氧化石墨烯溶液中,得氧化石墨烯/钛混合溶液;4)将配制好的石墨烯/钛混合溶液进行超声分散,然后进行球磨,球磨后将所得混合液进行冷冻干燥,得混合粉末;5)将混合粉末充分研磨,然后进行电场激活压力辅助烧结,冷却得所述石墨烯/钛复合材料。但该发明制备的石墨烯/钛复合材料的强度及耐腐蚀性能不佳,并且分散性较差,与水及有机溶剂的相溶性较弱。 [0004] 中国专利CN105349846A公开了一种石墨烯/铝复合材料的制备方法,具体步骤如下:将氧化石墨烯粉末在醇溶液中均匀分散,经乳化、超声后,制得氧化石墨烯醇溶液;在搅拌下缓慢加入铝粉,控制温度不高于室温,搅拌速度在100~1000转/分钟,搅拌时长在1~5小时,得到含有铝粉的氧化石墨烯均匀醇溶液;经过滤、离心工艺进行固液分离,分离后的膏状固体经冷冻干燥工艺处理后,得到氧化石墨烯/铝复合干燥粉末;将干燥粉末在Ar/H2混合气氛下进行热还原,最终制得石墨烯/铝复合材料。但本发明制备的石墨烯/铝复合材料的强度不佳,分散性能较差。 发明内容[0005] 本发明针对上述问题,提供一种石墨烯复合材料及其制备方法,具体步骤如下: [0006] 步骤S10,利用凝胶-溶胶法制备高分散的纳米二氧化钛粒子; [0007] 步骤S20,将石墨烯粉末放入到醇溶液中进行超声处理; [0008] 步骤S30,在搅拌的状态下向石墨烯醇溶液中加入纳米二氧化钛粒子,混合0.5~5小时; [0009] 步骤S40,将步骤S30得到的混合物进行离心分离,得到二氧化钛改性石墨烯粉末,清洗后放入到真空烘箱中干燥得到石墨烯复合材料; [0010] 进一步的,所述高分散纳米二氧化钛的制备方法包括: [0011] 步骤S11,将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中,保持搅拌; [0012] 步骤S12,加入催化剂硝酸,继续搅拌15~20小时; [0013] 步骤S13,将胶体溶液进行真空干燥得到纳米二氧化钛粒子。 [0014] 进一步的,对高分散的纳米二氧化钛粒子表面引入苯胺单体,使其化学氧化聚合,形成聚苯胺/二氧化钛复合材料; [0015] 进一步的,,经纳米二氧化钛粒子改性后的石墨烯与所述聚苯胺/二氧化钛复合材料进行复合; [0016] 进一步的,所述聚苯胺/二氧化钛复合材料的制备步骤包括: [0017] 步骤S10,将步骤S10得到的纳米二氧化钛粒子分散到去离子水中形成二氧化钛溶胶; [0018] 步骤S20,搅拌下将苯胺逐滴加入到二氧化钛溶液中,继续搅拌1小时; [0020] 步骤S40,清洗除去苯胺单体及其他杂质后,进行真空干燥处理,得到聚苯胺/二氧化钛粉末。 [0021] 进一步的,纳米二氧化钛粒子改性后的石墨烯与聚苯胺/二氧化钛复合材料进行复合的步骤为,将改性石墨烯粉末、聚苯胺/二氧化钛加入到醇溶液中,超声振荡使其分散均匀,放到混合机中继续搅拌,得到的物料经过滤后进行真空干燥得到石墨烯复合材料。 [0022] 进一步的,所述真空干燥的温度为50~80℃。 [0023] 进一步的,所述清洗为用乙醇和去离子水交替清洗。 [0024] 进一步的,将真空干燥后的纳米二氧化钛粒子、聚苯胺/二氧化钛复合材料和石墨烯复合材料进行球磨,球磨机的转速为50~100r/min,球磨混合0.5~1.0小时; [0025] 进一步的,聚苯胺/二氧化钛复合材料的制备过程中,苯胺溶度为0.004mol/L,苯胺与二氧化钛的质量比为1:1.2。 [0026] 本发明的优点是: [0028] 2.聚苯胺/二氧化钛复合材料与石墨烯的进一步复合,提高石墨烯材料的导电性,并降低其阻抗,提升其电化学性能; [0029] 3.本发明的制备方法简单,操作流程简洁,生产成本低,适合大范围推广,可进一步加快石墨烯材料的应用。 [0030] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照具体实施方式,对本发明作进一步详细的说明。 具体实施方式[0032] 实施例1 [0033] 一种石墨烯复合材料及其制备方法,具体步骤如下: [0034] 步骤S10,利用凝胶-溶胶法制备高分散的纳米二氧化钛粒子: [0035] 步骤S11,将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中,保持搅拌; [0036] 步骤S12,加入催化剂硝酸,继续搅拌18小时; [0037] 步骤S13,将胶体溶液进行真空干燥,控制真空干燥的温度为80℃,得到纳米二氧化钛粒子; [0038] 步骤S14,纳米二氧化钛粒子进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时; [0039] 步骤S20,对高分散的纳米二氧化钛粒子表面引入苯胺单体,使其化学氧化聚合,形成聚苯胺/二氧化钛复合材料,聚苯胺/二氧化钛复合材料的制备步骤: [0040] 步骤S21,将步骤S10得到的纳米二氧化钛粒子分散到去离子水中形成二氧化钛溶胶; [0041] 步骤S22,搅拌下将苯胺逐滴加入到二氧化钛溶液中,苯胺溶度为0.004mol/L,苯胺与二氧化钛的质量比为1:1.2,继续搅拌1小时; [0042] 步骤S23,逐滴加入过硫酸铵的盐酸溶液,继续搅拌23小时; [0043] 步骤S24,乙醇和去离子水交替清洗除去苯胺单体及其他杂质后,进行真空干燥处理,控制真空干燥的温度为50℃,得到聚苯胺/二氧化钛粒子; [0044] 步骤S25,聚苯胺/二氧化钛粒子进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时; [0045] 步骤S30,将石墨烯粉末放入到醇溶液中进行超声处理; [0046] 步骤S40,在搅拌的状态下向石墨烯醇溶液中加入纳米二氧化钛粒子,混合3小时; [0047] 步骤S50,将步骤S40得到的混合物进行离心分离,得到二氧化钛改性石墨烯粉末,清洗后放入到真空烘箱中干燥得到改性石墨烯复合材料; [0048] 步骤S60,经纳米二氧化钛粒子改性后的石墨烯与所述聚苯胺/二氧化钛复合材料进行复合:将改性石墨烯粉末、聚苯胺/二氧化钛加入到醇溶液中,超声振荡使其分散均匀,放到混合机中继续搅拌,得到的物料经过滤后进行真空干燥,控制真空干燥的温度为70℃,再将其进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时,得到石墨烯复合材料。 [0049] 实施例2 [0050] 一种石墨烯复合材料及其制备方法,具体步骤如下: [0051] 步骤S10,利用凝胶-溶胶法制备高分散的纳米二氧化钛粒子: [0052] 步骤S11,将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中,保持搅拌; [0053] 步骤S12,加入催化剂硝酸,继续搅拌20小时; [0054] 步骤S13,将胶体溶液进行真空干燥,控制真空干燥的温度为80℃,得到纳米二氧化钛粒子; [0055] 步骤S14,纳米二氧化钛粒子进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时; [0056] 步骤S20,对高分散的纳米二氧化钛粒子表面引入苯胺单体,使其化学氧化聚合,形成聚苯胺/二氧化钛复合材料,聚苯胺/二氧化钛复合材料的制备步骤: [0057] 步骤S21,将步骤S10得到的纳米二氧化钛粒子分散到去离子水中形成二氧化钛溶胶; [0058] 步骤S22,搅拌下将苯胺逐滴加入到二氧化钛溶液中,苯胺溶度为0.004mol/L,苯胺与二氧化钛的质量比为1:1.2,继续搅拌1小时; [0059] 步骤S23,逐滴加入过硫酸铵的盐酸溶液,继续搅拌20小时; [0060] 步骤S24,乙醇和去离子水交替清洗除去苯胺单体及其他杂质后,进行真空干燥处理,控制真空干燥的温度为50℃; [0061] 步骤S25,干燥后的聚苯胺/二氧化钛粒子进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时,得到聚苯胺/二氧化钛粉末; [0062] 步骤S30,将石墨烯粉末放入到醇溶液中进行超声处理; [0063] 步骤S40,经纳米二氧化钛粒子改性后的石墨烯与所述聚苯胺/二氧化钛复合材料进行复合:将石墨烯粉末、聚苯胺/二氧化钛加入到醇溶液中,超声振荡使其分散均匀,放到混合机中继续搅拌,得到的物料经过滤后进行真空干燥,控制真空干燥的温度为70℃,再将其进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时,得到石墨烯复合材料。 [0064] 实施例3 [0065] 一种石墨烯复合材料及其制备方法,具体步骤如下: [0066] 步骤S10,利用凝胶-溶胶法制备高分散的纳米二氧化钛粒子: [0067] 步骤S11,将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中,保持搅拌; [0068] 步骤S12,加入催化剂硝酸,继续搅拌15小时; [0069] 步骤S13,将胶体溶液进行真空干燥,控制真空干燥的温度为80℃,得到纳米二氧化钛粒子; [0070] 步骤S14,纳米二氧化钛粒子进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时; [0071] 步骤S20,对高分散的纳米二氧化钛粒子表面引入苯胺单体,使其化学氧化聚合,形成聚苯胺/二氧化钛复合材料,聚苯胺/二氧化钛复合材料的制备步骤: [0072] 步骤S21,将步骤S10得到的纳米二氧化钛粒子分散到去离子水中形成二氧化钛溶胶; [0073] 步骤S22,搅拌下将苯胺逐滴加入到二氧化钛溶液中,苯胺溶度为0.004mol/L,苯胺与二氧化钛的质量比为1:1.2,继续搅拌1小时; [0074] 步骤S23,逐滴加入过硫酸铵的盐酸溶液,继续搅拌20~26小时; [0075] 步骤S24,乙醇和去离子水交替清洗除去苯胺单体及其他杂质后,进行真空干燥处理,控制真空干燥的温度为50℃,得到聚苯胺/二氧化钛粒子; [0076] 步骤S25,聚苯胺/二氧化钛粒子进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时; [0077] 步骤S30,将石墨烯粉末放入到醇溶液中进行超声处理; [0078] 步骤S40,在搅拌的状态下向石墨烯醇溶液中加入聚苯胺/二氧化钛复合材料,混合0.5小时; [0079] 步骤S50,将步骤S40得到的混合物进行离心分离,清洗后放入到真空烘箱中干燥; [0080] 步骤S60,改性后的石墨烯与所述二氧化钛复合材料进行复合:将改性石墨烯粉末、二氧化钛加入到醇溶液中,超声振荡使其分散均匀,放到混合机中继续搅拌,得到的物料经过滤后进行真空干燥,控制真空干燥的温度为70℃,再将其进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时,得到石墨烯复合材料。 [0081] 实施例4 [0082] 一种石墨烯复合材料及其制备方法,具体步骤如下: [0083] 步骤S10,利用凝胶-溶胶法制备高分散的纳米二氧化钛粒子: [0084] 步骤S11,将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中,保持搅拌; [0085] 步骤S12,加入催化剂硝酸,继续搅拌20小时; [0086] 步骤S13,将胶体溶液进行真空干燥,控制真空干燥的温度为80℃,得到纳米二氧化钛粒子; [0087] 步骤S14,纳米二氧化钛粒子进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时; [0088] 步骤S20,将石墨烯粉末放入到醇溶液中进行超声处理; [0089] 步骤S30,将二氧化钛加入到醇溶液中,超声振荡使其分散均匀,在搅拌的状态下向石墨烯醇溶液中加入纳米二氧化钛的醇溶液,放到混合机中继续搅拌,得到的物料经过滤后进行真空干燥,控制真空干燥的温度为70℃,再将其进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时,得到石墨烯复合材料。 [0090] 实施例5 [0091] 一种石墨烯复合材料及其制备方法,具体步骤如下: [0092] 步骤S10,利用凝胶-溶胶法制备高分散的纳米二氧化钛粒子: [0093] 步骤S11,将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中,保持搅拌; [0094] 步骤S12,加入催化剂硝酸,继续搅拌18小时; [0095] 步骤S13,将胶体溶液进行真空干燥,控制真空干燥的温度为80℃,得到纳米二氧化钛粒子; [0096] 步骤S14,纳米二氧化钛粒子进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时; [0097] 步骤S20,对高分散的纳米二氧化钛粒子表面引入苯胺单体,使其化学氧化聚合,形成聚苯胺/二氧化钛复合材料,聚苯胺/二氧化钛复合材料的制备步骤: [0098] 步骤S21,将步骤S10得到的纳米二氧化钛粒子分散到去离子水中形成二氧化钛溶胶; [0099] 步骤S22,搅拌下将苯胺逐滴加入到二氧化钛溶液中,苯胺溶度为0.004mol/L,苯胺与二氧化钛的质量比为1:1.5,继续搅拌1小时; [0100] 步骤S23,逐滴加入过硫酸铵的盐酸溶液,继续搅拌24小时; [0101] 步骤S24,乙醇和去离子水交替清洗除去苯胺单体及其他杂质后,进行真空干燥处理,控制真空干燥的温度为50℃,得到聚苯胺/二氧化钛粒子; [0102] 步骤S25,聚苯胺/二氧化钛粒子进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时; [0103] 步骤S30,将石墨烯粉末放入到醇溶液中进行超声处理; [0104] 步骤S40,在搅拌的状态下向石墨烯醇溶液中加入纳米二氧化钛粒子,混合5小时; [0105] 步骤S50,将步骤S40得到的混合物进行离心分离,得到二氧化钛改性石墨烯粉末,清洗后放入到真空烘箱中干燥得到改性石墨烯复合材料; [0106] 步骤S60,经纳米二氧化钛粒子改性后的石墨烯与所述聚苯胺/二氧化钛复合材料进行复合:将改性石墨烯粉末、聚苯胺/二氧化钛加入到醇溶液中,超声振荡使其分散均匀,放到混合机中继续搅拌,得到的物料经过滤后进行真空干燥,控制真空干燥的温度为50℃,再将其进行球磨,球磨机的转速为50r/min,球磨混合0.5小时,得到石墨烯复合材料。 [0107] 实验例 [0108] 取实施例1~5制备的石墨烯复合材料,将其分散在乙醇溶剂中,超声振荡使其均匀分散,取少量样品悬浮滴在导电玻璃上,干燥后得到坚固的膜,将其做为锂电池正极材料,以锂箔做为负极材料,电解液为六氟磷锂,并按常规工艺组装为钮扣型电池后,进行1C及10C速率的充放电测试,其结果如表一。 [0109] 表1实施例1~5制得的石墨烯复合材料及纯钛的充放电结果 [0110]材料 石墨烯片添加量(g) 阻抗 电容量(F/g) 对比组 0 20 18 实施例1 0.2 15 23 实施例2 0.2 13 22 实施例3 0.2 16 24 实施例4 0.2 18 25 实施例5 0.2 21 23 [0111] 由表1可以看出,本发明制得的石墨烯复合材料电化学性能较好,不仅电容量有了很大提升,同时还拥有较低的组件抗阻值,可广泛应用于电极材料中,另外本发明的石墨烯复合材料制备方法简单,工艺流程易操作,适合大规模推广。 [0112] 以上仅为本发明的优选实施例及实验例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在发明的保护范围之内。 |