一種石墨烯和碳納米管復(fù)合的多孔電極材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種多孔電極材料，特別涉及一種石墨烯和碳納米管復(fù)合的多孔電極材料。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，世界各國都在加強(qiáng)對電化學(xué)儲能技術(shù)的的研究。電化學(xué)儲能器件的總體性能的主要決定因素是電極材料的電化學(xué)性能，所以，其中新型電極材料的研究成為了此領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)。
[0003]石墨烯是一種單原子層厚度的石墨材料，其晶格是碳原子構(gòu)成的六角形呈蜂巢結(jié)構(gòu)。石墨烯展現(xiàn)出來的這些特性使其在電子、光學(xué)、感應(yīng)等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出非常好的應(yīng)用前景。其中由于石墨烯有著超高比表面積和優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，非常適合用于三維多孔碳電極。
[0004]碳納米管是由單層或多層石墨烯層卷曲后連接而成的無縫納米級管，其直徑在
0.4nm至數(shù)十nm之間，具有接近理想的一維納米空間。碳納米管具有高比表面積、高彈性、高強(qiáng)度、耐熱、耐腐蝕、傳熱和導(dǎo)電性好等優(yōu)異性能，使得它在電極材料應(yīng)用方面有巨大的應(yīng)用價值。
[0005]在制備電極材料時，選用石墨烯、碳納米管與多孔金屬復(fù)合，可以大大增加電極的比表面積和導(dǎo)電率，并且所制備的電極重量輕，具有平板電極所沒有的內(nèi)部空間，可以增加電化學(xué)儲能器件的容量。在多孔金屬上直接生長石墨烯和碳納米管，也可以避免兩者轉(zhuǎn)移的過程，提高電極的穩(wěn)定性和使用壽命。
[0006]在現(xiàn)有的技術(shù)中，例如，申請?zhí)枮?01310146410.2(—種基于泡沫鎳的超級電容器電極的制備方法及其產(chǎn)品)中公布的一種電極材料，是通過在泡沫鎳基體上沉積一層氧化石墨烯，然后通過電化學(xué)還原得到沉積有石墨烯的泡沫鎳，之后在石墨烯上水涂覆一層碳納米管。但由于泡沫金屬的骨架表面非常粗糙不平，使用該技術(shù)方案在泡沫金屬上直接沉積的石墨烯導(dǎo)電性差，與泡沫金屬的結(jié)合力差，覆蓋率低，另外利用水涂覆方法轉(zhuǎn)移到石墨烯層上的碳納米管，相互之間纏繞和團(tuán)聚十分嚴(yán)重，大大降低了其比表面積和導(dǎo)電率。
[0007]申請?zhí)枮?01210250077.5 (三維石墨烯-碳氮納米管復(fù)合材料制備方法)中公布的一種制備方法所生產(chǎn)的一種復(fù)合材料，是通過在泡沫鎳基體上直接生產(chǎn)一層石墨烯，然后在石墨烯上浸漬一層Ni (N03)2作為催化劑生長碳納米管。由于泡沫鎳骨架表面非常粗糙，存在很多晶界、凸起、凹坑、褶皺，甚至還存在裂紋和表面氧化現(xiàn)象。而金屬粗糙的表面結(jié)構(gòu)會對在其上制備得到的石墨烯的質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響，金屬表面的臺階狀結(jié)構(gòu)可能會使石墨烯的晶向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形成晶界等缺陷，導(dǎo)致在泡沫鎳骨架表面生長的石墨烯晶粒尺寸較小、層數(shù)不均且難以控制，這些缺陷大大降低了石墨烯的導(dǎo)電能力。同時該方法對于多孔金屬的組成具有選擇性，基體只能采用對石墨烯具有催化生長作用的金屬。此外，該方案中添加了聚乙二醇作為催化劑Ni (N03)2的粘結(jié)劑，會導(dǎo)致電極內(nèi)阻增加，催化劑的活性面積降低，活性下降，對碳納米管的生長造成不利的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服現(xiàn)有產(chǎn)品存在的缺點(diǎn)和不足，本實(shí)用新型提供了一種石墨烯、碳納米管與多孔金屬復(fù)合的電極材料。在該電極材料中，生長在多孔基底上的石墨烯面積大、層數(shù)可控、導(dǎo)電性好；碳納米管雜質(zhì)少、均勻有序、一致性好、比表面積高、導(dǎo)電率高，從而提高了其作為電極材料的的性能，且多孔金屬基體可以選用各種不同組分的純金屬或合金。
[0009]本實(shí)用新型的技術(shù)方案為:
[0010]一種石墨烯和碳納米管復(fù)合的多孔電極材料，包括多孔金屬為基體(圖1中的1)、第一過渡金屬層(圖1中的2)、石墨烯層(圖1中的3)、第二過渡金屬層(圖1中的4)、碳納米管(圖1中的5)，其中:
[0011]多孔金屬作為基體，其具有開孔的三維立體結(jié)構(gòu)、平均孔直徑為ΙΟΟμπι?3000 ym、厚度為 0.3 mm ?70 mm ；
[0012]基體表面嵌入和覆蓋有第一過渡金屬層，其平均厚度為5 nm?2000 nm ;
[0013]第一過渡金屬層表面覆蓋有單層或多層石墨稀，石墨稀層的厚度為0.34 nm?100nm ；
[0014]石墨稀層表面覆蓋有第二過渡金屬層，其平均厚度為5 nm?2000 nm ；
[0015]第二過渡金屬層表面覆蓋有碳納米管，碳納米管的平均直徑為2 nm?50 nm，平均長度為1 μ m?100 μ m。
[0016]本實(shí)用新型通過在多孔金屬基體上沉積第一層過渡金屬層，在第一過渡金屬層上生長石墨烯，在石墨烯層上沉積第二過渡金屬層，在第二過渡金屬層上生長碳納米管，得到一種石墨烯、碳納米管與多孔金屬復(fù)合的電極材料。這個方案的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0017]( 1)多孔金屬具有比表面積尚、導(dǎo)電性好、質(zhì)量輕、易加工的特點(diǎn)，與石墨稀、碳納米管復(fù)合時可以充分利用它們本身具備的優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)性能和高比表面積的特點(diǎn)，制備出電化學(xué)性能優(yōu)異的電極。
[0018](2)在多孔金屬基體表面上沉積對石墨烯具有催化作用的第一過渡金屬層，可以填補(bǔ)和覆蓋多孔金屬骨架表面的晶界和缺陷，提高石墨烯的質(zhì)量，這層具有催化作用的過渡金屬層，與基體的結(jié)合十分緊密，可以提高石墨烯的覆蓋率，提高導(dǎo)電性，此外還可以消除石墨烯對多孔金屬組分的選擇性，能夠?qū)崿F(xiàn)在任何多孔基體上生長石墨烯，從而得到可以滿足不同設(shè)計(jì)需求的金屬-石墨烯復(fù)合的多孔電極材料。
[0019](3)材料中不含任何粘結(jié)劑，可以有效減小電極內(nèi)阻，提高電極的電化學(xué)性能。
【附圖說明】
[0020]圖1是本實(shí)用新型中所述一種石墨烯和碳納米管復(fù)合的多孔電極材料的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合具體實(shí)施例來進(jìn)一步說明本實(shí)用新型所述的一種石墨烯和碳納米管復(fù)合的多孔電極材料。
[0022]實(shí)施例1:
[0023]以泡沫鎳為基體，所選泡沫鎳的平均孔直徑為100 μ m，厚度為0.3 mm ;在基體表面嵌入和覆蓋Cu作為第一過渡金屬層，第一過渡金屬層的平均厚度為5 nm ;然后在第一過渡金屬層表面覆蓋石墨稀層，石墨稀層的厚度為0.34 nm?1 nm，再在石墨稀層表面覆蓋Co作為第二過渡金屬層，第二過渡金屬層的平均厚度為5 nm,在第二過渡金屬層表面覆蓋碳納米管，碳納米管的平均直徑為2 nm，平均長度為1 μ m，從而得到一種金屬-石墨烯復(fù)合的多孔電極材料。
[0024]實(shí)施例2:
[0025]以泡沫鋁為基體，所選泡沫鋁的平均孔直徑為500 μ m，厚度為1 mm ;在基體表面嵌入和覆蓋Cu-Ni合金作為第一過渡金屬層，第一過渡金屬層的平均厚度為300 nm ;然后在第一過渡金屬層表面覆蓋石墨稀層，石墨稀層的厚度為0.34 nm?4 nm，再在石墨稀層表面覆蓋Ni作為第二過渡金屬層，第二過渡金屬層的平均厚度為400 nm，在第二過渡金屬層表面覆蓋碳納米管，碳納米管的平均直徑為10 nm,平均長度為20 μ m，從而得到一種金屬-石墨烯復(fù)合的多孔電極材料。
[0026]實(shí)施例3:
[0027]以泡沫鎳鐵為基體，所選泡沫鎳鐵的平均孔直徑為800 μ m，厚度為2.5 mm ;在基體表面嵌入和覆蓋Co-Ni合金作為第一過渡金屬層，第一過渡金屬層的平均厚度為500 nm ;然后在第一過渡金屬層表面覆蓋石墨稀層，石墨稀層的厚度為7 nm?10 nm，再在石墨稀層表面覆蓋Fe-Co合金作為第二過渡金屬層，第二過渡金屬層的平均厚度為600 nm,在第二過渡金屬層表面覆蓋碳納米管，碳納米管的平均直徑為25 nm，平均長度為35 μ m，從而得到一種金屬-石墨稀復(fù)合的多孔電極材料。
[0028]實(shí)施例4:
[0029]以泡沫鈷為基體，所選泡沫鈷的平均孔直徑為800 μ m，厚度為2.8 mm ;在基體表面嵌入和覆蓋Pd合金作為第一過渡金屬層，第一過渡金屬層的平均厚度為400 nm ;然后在第一過渡金屬層表面覆蓋石墨稀層，石墨稀層的厚度為20 nm?35 nm，再在石墨稀層表面覆蓋N1-Co合金作為第二過渡金屬層，第二過渡金屬層的平均厚度為500 nm,在第二過渡金屬層表面覆蓋碳納米管，碳納米管的平均直徑為30 nm，平均長度為50 μ m，從而得到一種金屬-石墨稀復(fù)合的多孔電極材料。
[0030]實(shí)施例5:
[0031 ] 以泡沫銅鎳為基體，所選泡沫銅鎳的平均孔直徑為3000 μ m，厚度為70 mm ;在基體表面嵌入和覆蓋Ni作為第一過渡金屬層，第一過渡金屬層的平均厚度為2000 nm ;然后在第一過渡金屬層表面覆蓋石墨稀層，石墨稀層的厚度為90 nm?100 nm，再在石墨稀層表面覆蓋Fe-Ni合金作為第二過渡金屬層，第二過渡金屬層的平均厚度為2000 nm，在第二過渡金屬層表面覆蓋碳納米管，碳納米管的平均直徑為50 nm，平均長度為100 μ m，從而得到一種金屬-石墨稀復(fù)合的多孔電極材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種石墨烯和碳納米管復(fù)合的多孔電極材料，其特征包括多孔金屬為基體、第一過渡金屬層、石墨烯層、第二過渡金屬層、碳納米管，其中: 多孔金屬作為基體，其具有開孔的三維立體結(jié)構(gòu)、平均孔直徑為100 μπι?3000 μm、厚度為 0.3 mm ?70 mm ； 基體表面嵌入和覆蓋有第一過渡金屬層，其平均厚度為5 nm?2000 nm ; 第一過渡金屬層表面覆蓋有單層或多層石墨烯，石墨烯層的厚度為0.34 nm?100nm ； 石墨稀層表面覆蓋有第二過渡金屬層，其平均厚度為5 nm?2000 nm ； 第二過渡金屬層表面覆蓋有碳納米管，碳納米管的平均直徑為2 nm?50 nm，平均長度為 1 μ m ?100 μ m。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種石墨烯和碳納米管復(fù)合的多孔電極材料，通過在多孔金屬基體表面上覆蓋一層金屬催化劑用于生長石墨烯，然后在石墨烯表面上覆蓋一層金屬催化劑用于生長碳納米管，得到一種石墨烯、碳納米管與多孔金屬復(fù)合的電極材料。該電極材料具有質(zhì)量輕、高比表面積、高導(dǎo)電率、穩(wěn)定性好、使用壽命長的特點(diǎn)，并表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能，在電極應(yīng)用方面具有很好的應(yīng)用價值。
【IPC分類】H01G11/32, H01G11/30, H01G11/36
【公開號】CN205069395
【申請?zhí)枴緾N201520850649
【發(fā)明人】韋雁途, 吳天和, 何愛忠, 徐洪志
【申請人】梧州三和新材料科技有限公司
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2015年10月30日