一种石墨烯和碳纳米管复合的多孔电极材料的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种多孔电极材料，特别涉及一种石墨烯和碳纳米管复合的多孔电极材料。
【背景技术】
[0002]目前，世界各国都在加强对电化学储能技术的的研究。电化学储能器件的总体性能的主要决定因素是电极材料的电化学性能，所以，其中新型电极材料的研究成为了此领域内研究的热点。
[0003]石墨烯是一种单原子层厚度的石墨材料，其晶格是碳原子构成的六角形呈蜂巢结构。石墨烯展现出来的这些特性使其在电子、光学、感应等众多领域展现出非常好的应用前景。其中由于石墨烯有着超高比表面积和优异的导电、导热性能，非常适合用于三维多孔碳电极。
[0004]碳纳米管是由单层或多层石墨烯层卷曲后连接而成的无缝纳米级管，其直径在
0.4nm至数十nm之间，具有接近理想的一维纳米空间。碳纳米管具有高比表面积、高弹性、高强度、耐热、耐腐蚀、传热和导电性好等优异性能，使得它在电极材料应用方面有巨大的应用价值。
[0005]在制备电极材料时，选用石墨烯、碳纳米管与多孔金属复合，可以大大增加电极的比表面积和导电率，并且所制备的电极重量轻，具有平板电极所没有的内部空间，可以增加电化学储能器件的容量。在多孔金属上直接生长石墨烯和碳纳米管，也可以避免两者转移的过程，提高电极的稳定性和使用寿命。
[0006]在现有的技术中，例如，申请号为201310146410.2(—种基于泡沫镍的超级电容器电极的制备方法及其产品)中公布的一种电极材料，是通过在泡沫镍基体上沉积一层氧化石墨烯，然后通过电化学还原得到沉积有石墨烯的泡沫镍，之后在石墨烯上水涂覆一层碳纳米管。但由于泡沫金属的骨架表面非常粗糙不平，使用该技术方案在泡沫金属上直接沉积的石墨烯导电性差，与泡沫金属的结合力差，覆盖率低，另外利用水涂覆方法转移到石墨烯层上的碳纳米管，相互之间缠绕和团聚十分严重，大大降低了其比表面积和导电率。
[0007]申请号为201210250077.5 (三维石墨烯-碳氮纳米管复合材料制备方法)中公布的一种制备方法所生产的一种复合材料，是通过在泡沫镍基体上直接生产一层石墨烯，然后在石墨烯上浸渍一层Ni (N03)2作为催化剂生长碳纳米管。由于泡沫镍骨架表面非常粗糙，存在很多晶界、凸起、凹坑、褶皱，甚至还存在裂纹和表面氧化现象。而金属粗糙的表面结构会对在其上制备得到的石墨烯的质量产生不良的影响，金属表面的台阶状结构可能会使石墨烯的晶向发生偏转，从而形成晶界等缺陷，导致在泡沫镍骨架表面生长的石墨烯晶粒尺寸较小、层数不均且难以控制，这些缺陷大大降低了石墨烯的导电能力。同时该方法对于多孔金属的组成具有选择性，基体只能采用对石墨烯具有催化生长作用的金属。此外，该方案中添加了聚乙二醇作为催化剂Ni (N03)2的粘结剂，会导致电极内阻增加，催化剂的活性面积降低，活性下降，对碳纳米管的生长造成不利的影响。
【发明内容】
[0008]为了克服现有产品存在的缺点和不足，本实用新型提供了一种石墨烯、碳纳米管与多孔金属复合的电极材料。在该电极材料中，生长在多孔基底上的石墨烯面积大、层数可控、导电性好；碳纳米管杂质少、均匀有序、一致性好、比表面积高、导电率高，从而提高了其作为电极材料的的性能，且多孔金属基体可以选用各种不同组分的纯金属或合金。
[0009]本实用新型的技术方案为:
[0010]一种石墨烯和碳纳米管复合的多孔电极材料，包括多孔金属为基体(图1中的1)、第一过渡金属层(图1中的2)、石墨烯层(图1中的3)、第二过渡金属层(图1中的4)、碳纳米管(图1中的5)，其中:
[0011]多孔金属作为基体，其具有开孔的三维立体结构、平均孔直径为ΙΟΟμπι?3000 ym、厚度为 0.3 mm ?70 mm ；
[0012]基体表面嵌入和覆盖有第一过渡金属层，其平均厚度为5 nm?2000 nm ;
[0013]第一过渡金属层表面覆盖有单层或多层石墨稀，石墨稀层的厚度为0.34 nm?100nm ；
[0014]石墨稀层表面覆盖有第二过渡金属层，其平均厚度为5 nm?2000 nm ；
[0015]第二过渡金属层表面覆盖有碳纳米管，碳纳米管的平均直径为2 nm?50 nm，平均长度为1 μ m?100 μ m。
[0016]本实用新型通过在多孔金属基体上沉积第一层过渡金属层，在第一过渡金属层上生长石墨烯，在石墨烯层上沉积第二过渡金属层，在第二过渡金属层上生长碳纳米管，得到一种石墨烯、碳纳米管与多孔金属复合的电极材料。这个方案的优点在于:
[0017]( 1)多孔金属具有比表面积尚、导电性好、质量轻、易加工的特点，与石墨稀、碳纳米管复合时可以充分利用它们本身具备的优异的电学、力学性能和高比表面积的特点，制备出电化学性能优异的电极。
[0018](2)在多孔金属基体表面上沉积对石墨烯具有催化作用的第一过渡金属层，可以填补和覆盖多孔金属骨架表面的晶界和缺陷，提高石墨烯的质量，这层具有催化作用的过渡金属层，与基体的结合十分紧密，可以提高石墨烯的覆盖率，提高导电性，此外还可以消除石墨烯对多孔金属组分的选择性，能够实现在任何多孔基体上生长石墨烯，从而得到可以满足不同设计需求的金属-石墨烯复合的多孔电极材料。
[0019](3)材料中不含任何粘结剂，可以有效减小电极内阻，提高电极的电化学性能。
【附图说明】
[0020]图1是本实用新型中所述一种石墨烯和碳纳米管复合的多孔电极材料的剖面图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合具体实施例来进一步说明本实用新型所述的一种石墨烯和碳纳米管复合的多孔电极材料。
[0022]实施例1:
[0023]以泡沫镍为基体，所选泡沫镍的平均孔直径为100 μ m，厚度为0.3 mm ;在基体表面嵌入和覆盖Cu作为第一过渡金属层，第一过渡金属层的平均厚度为5 nm ;然后在第一过渡金属层表面覆盖石墨稀层，石墨稀层的厚度为0.34 nm?1 nm，再在石墨稀层表面覆盖Co作为第二过渡金属层，第二过渡金属层的平均厚度为5 nm,在第二过渡金属层表面覆盖碳纳米管，碳纳米管的平均直径为2 nm，平均长度为1 μ m，从而得到一种金属-石墨烯复合的多孔电极材料。
[0024]实施例2:
[0025]以泡沫铝为基体，所选泡沫铝的平均孔直径为500 μ m，厚度为1 mm ;在基体表面嵌入和覆盖Cu-Ni合金作为第一过渡金属层，第一过渡金属层的平均厚度为300 nm ;然后在第一过渡金属层表面覆盖石墨稀层，石墨稀层的厚度为0.34 nm?4 nm，再在石墨稀层表面覆盖Ni作为第二过渡金属层，第二过渡金属层的平均厚度为400 nm，在第二过渡金属层表面覆盖碳纳米管，碳纳米管的平均直径为10 nm,平均长度为20 μ m，从而得到一种金属-石墨烯复合的多孔电极材料。
[0026]实施例3:
[0027]以泡沫镍铁为基体，所选泡沫镍铁的平均孔直径为800 μ m，厚度为2.5 mm ;在基体表面嵌入和覆盖Co-Ni合金作为第一过渡金属层，第一过渡金属层的平均厚度为500 nm ;然后在第一过渡金属层表面覆盖石墨稀层，石墨稀层的厚度为7 nm?10 nm，再在石墨稀层表面覆盖Fe-Co合金作为第二过渡金属层，第二过渡金属层的平均厚度为600 nm,在第二过渡金属层表面覆盖碳纳米管，碳纳米管的平均直径为25 nm，平均长度为35 μ m，从而得到一种金属-石墨稀复合的多孔电极材料。
[0028]实施例4:
[0029]以泡沫钴为基体，所选泡沫钴的平均孔直径为800 μ m，厚度为2.8 mm ;在基体表面嵌入和覆盖Pd合金作为第一过渡金属层，第一过渡金属层的平均厚度为400 nm ;然后在第一过渡金属层表面覆盖石墨稀层，石墨稀层的厚度为20 nm?35 nm，再在石墨稀层表面覆盖N1-Co合金作为第二过渡金属层，第二过渡金属层的平均厚度为500 nm,在第二过渡金属层表面覆盖碳纳米管，碳纳米管的平均直径为30 nm，平均长度为50 μ m，从而得到一种金属-石墨稀复合的多孔电极材料。
[0030]实施例5:
[0031 ] 以泡沫铜镍为基体，所选泡沫铜镍的平均孔直径为3000 μ m，厚度为70 mm ;在基体表面嵌入和覆盖Ni作为第一过渡金属层，第一过渡金属层的平均厚度为2000 nm ;然后在第一过渡金属层表面覆盖石墨稀层，石墨稀层的厚度为90 nm?100 nm，再在石墨稀层表面覆盖Fe-Ni合金作为第二过渡金属层，第二过渡金属层的平均厚度为2000 nm，在第二过渡金属层表面覆盖碳纳米管，碳纳米管的平均直径为50 nm，平均长度为100 μ m，从而得到一种金属-石墨稀复合的多孔电极材料。
【主权项】
1.一种石墨烯和碳纳米管复合的多孔电极材料，其特征包括多孔金属为基体、第一过渡金属层、石墨烯层、第二过渡金属层、碳纳米管，其中: 多孔金属作为基体，其具有开孔的三维立体结构、平均孔直径为100 μπι?3000 μm、厚度为 0.3 mm ?70 mm ； 基体表面嵌入和覆盖有第一过渡金属层，其平均厚度为5 nm?2000 nm ; 第一过渡金属层表面覆盖有单层或多层石墨烯，石墨烯层的厚度为0.34 nm?100nm ； 石墨稀层表面覆盖有第二过渡金属层，其平均厚度为5 nm?2000 nm ； 第二过渡金属层表面覆盖有碳纳米管，碳纳米管的平均直径为2 nm?50 nm，平均长度为 1 μ m ?100 μ m。
【专利摘要】本实用新型涉及一种石墨烯和碳纳米管复合的多孔电极材料，通过在多孔金属基体表面上覆盖一层金属催化剂用于生长石墨烯，然后在石墨烯表面上覆盖一层金属催化剂用于生长碳纳米管，得到一种石墨烯、碳纳米管与多孔金属复合的电极材料。该电极材料具有质量轻、高比表面积、高导电率、稳定性好、使用寿命长的特点，并表现出良好的电化学性能，在电极应用方面具有很好的应用价值。
【IPC分类】H01G11/32, H01G11/30, H01G11/36
【公开号】CN205069395
【申请号】CN201520850649
【发明人】韦雁途, 吴天和, 何爱忠, 徐洪志
【申请人】梧州三和新材料科技有限公司
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年10月30日