专利名称：多孔石墨烯或石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于石墨烯复合材料领域，具体是涉及一种多孔石墨烯或石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料及其制备方法，所述多孔石墨烯或石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料主要用于光伏、导电材料、散热等领域。
背景技术：
石墨烯自被成功分离，就因其优异的物理特性引起科学界的广泛兴趣。作为世界上导电性最好的材料，石墨烯中的电子运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的传导速度。根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，把石墨烯作为导电材料与各种物质复合，应用到新能源领域如光伏，储能领域如锂离子电池和超级电容器，散热、导电等领域中。由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。目前，石墨烯的研究和制备大多集中在低维石墨烯，尤其是二维薄膜石墨烯薄膜方面，对三维石墨烯的研究上需要进一步的探索。而三维多孔石墨烯及其复合材料的制备更是由于受制于多孔基底的限制，孔径无法调整，制备工艺复杂，孔隙率低。如何制备孔径可调，工艺简单高质量的三维多孔石墨烯及三维石墨烯复合材料成为了急需要解决的问题。本发明得到的产物能应用于储能，光伏，散热等诸多领域，具有广阔的发展前景。
发明内容
为了导电陶瓷材料的导电性能，本发明原创性的提出一种石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料及其制备方法，其中，所述导电材料由石墨烯和多孔复合陶瓷组成。在本发明一个实施方式中，本发明提供石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的制备方法，所述方法包括:(a)将一种或多种陶瓷粉体和一种或多种金属粉体研磨成为粒径不均匀的陶瓷粉体和金属粉体；(b)将一种或多种陶瓷粉体与一种或多种金属粉体混合均匀；(C)在混合均匀的粉体中加入粘结剂，研磨混合均匀并烘干，形成烘干后的样品；(d)将所述烘干后的样品在模具中机械压片，获得多孔的基底；(e)将所述多孔的基底高温退火成型，获得多孔的陶瓷基底；(f)通过化学气相沉积方法在所述多孔的陶瓷基底上直接生长石墨烯，获得石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料。在本发明实施方式中，所述陶瓷粉末为选自二氧化硅、三氧化二铝、氮化铝、碳化娃、氧化错、碳化硼和其组合的粉末；所述金属粉体是选自Cu、Ir、Pt、Mo、W、Zn、Nb、Ta、Ru、T1、Zr、Pd、Fe、Co、N1、V 和 Rh 中的一种或多种。在本发明实施方式中 ，所述粘结剂为丙二醇、聚偏氟乙烯(PVDF)、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、PEG(聚乙二醇)、PVA(聚乙烯醇)以及它们的混合溶剂。其中，所述粘结剂占粉体质量的0.1% -99%。在本发明实施方式中，所述模具的内径在7mm-250mm之间；所述机械压片在IMPa-1OOMPa的压强范围下进行I分钟_60分钟。在本发明优选实施方式中，所述方法还包括将机械压片后的多孔基片边缘的凸起清除。在本发明的实施方式中，所述高温退火的温度在800-1600°C之间，保温时间在0.5小时-20小时之间。在本发明的实施方式中，所述化学气相沉积法所采用的碳源包括:甲烷、乙烯、乙炔、乙醇、乙烷、丙烷以及它们的混合气；采用的保护气包括:氮气、氩气、氦气以及它们的混合气；以及采用的还原气体为氢气。在优选的实施方式中，所述化学气相沉积法包括:(a)程序升温，升温速率在0.5-200C /分钟；加热至反应温度600-140(TC，恒温1-240分钟；(b)然后导入碳源、氢气和保护气，气体流量为1-SOOsccm(标况毫升每分钟)，反应时间1-480分钟；(c)反应完毕后，控制降温速率为10-50°C /分钟，冷却至室温。在本发明另一实施方式中，本发明提供一种三维多孔石墨烯材料的制备方法，所述方法包括:(a)将一种或多种陶瓷粉体和一种或多种金属粉体研磨成为粒径大小不均的陶瓷粉体和金属粉体；(b)将一种或多种陶瓷粉体与一种或多种金属粉体混合均匀；(C)在混合均匀的粉体中加入粘结剂，研磨混合均匀并烘干，形成烘干后的样品；(d)将所述烘干后的样品在进行成型，获得多孔的基底；(e)将所述多孔的基底高温退火成型，获得多孔的陶瓷基底；(f)通过化学气相沉积方法在所述多孔的陶瓷基底上直接生长石墨烯，获得石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料；和(g)通过骨架刻蚀的方法，去除作为骨架的多孔的陶瓷基底，得到三维多孔石墨烯。在本发明实施方式中，所述陶瓷粉末为选自二氧化硅、三氧化二铝、氮化铝、碳化娃、氧化错、碳化硼和其组合的粉末；所述金属粉体是选自Cu、Ir、Pt、Mo、W、Zn、Nb、Ta、Ru、T1、Zr、Pd、Fe、Co、N1、V 和 Rh 中的一种或多种。在本发明实施方式中，所述粘结剂为丙二醇、聚偏氟乙烯(PVDF)、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、PEG(聚乙二醇)、PVA(聚乙烯醇)以及它们的混合溶剂。在本发明实施方式中，所述粘结剂占粉体质量的0.1% -99%。在本发明实施方式中，所述成型通过机械压片法、旋涂法、刮涂法进行；优选机械压片法，其中，所用的模具的内径在7mm-250mm之间；所述机械压片在IMPa-1OOMPa的压强范围下进行I分钟-60分钟。在本发明实施方式中， 所述方法还包括将机械压片后的多孔基片边缘的凸起清除。在本发明实施方式中，高温退火的温度在800-1600°C之间，保温时间在0.5小时-20小时之间。在本发明实施方式中，化学气相沉积法所采用的碳源包括:甲烷、乙烯、乙炔、乙醇、乙烷、丙烷以及它们的混合气；采用的保护气包括:氮气、氩气、氦气以及它们的混合气；以及采用的还原气体为氢气。在本发明实施方式中，所述化学气相沉积法包括:(a)程序升温，升温速率在0.5-200C /分钟；加热至反应温度600-1400℃，恒温1-240分钟；(b)然后导入碳源、氢气和保护气，气体流量为l-800sccm，反应时间1-480分钟；(c)反应完毕后，控制降温速率为10-50°C /分钟，冷却至室温。在本发明实施方式中，将所述石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料在有机物保护下放入刻蚀液中去除作为骨架的多孔的陶瓷基底，得到三维多孔石墨烯。在优选的实施方式中，将石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料先用PMMA保护下，放入lmol/L的HCl溶液中去除复合陶瓷骨架；然后在丙酮溶液中溶去PMMA，得到多孔石墨烯。另一方面，本发明还提供上述制备方法制的多孔石墨烯或石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料，其中所述多孔石墨烯或石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料由石墨烯或石墨烯和多孔复合陶瓷组成。再一方面，本发明提供上述多孔石墨烯或石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料在光伏、导电材料、散热器件中的应用。本发明公开了的多孔石墨烯或石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的制备方法工艺简单，过程易控制，导电性能优异，不需要在真空条件下实施背接触层的沉积，设备投资少，可以大规模生产。此外，多孔石墨烯或石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料用作导电基底获得了方块电阻低于0.2 Ω /sq (欧姆/平方)的优异导电性能。
图1:本发明一个实施方式中的石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的扫描电镜照片。图2:本发明一个实施方式中石墨烯的拉曼(Raman)光谱。
具体实施例方式在本发明中，所述多孔石墨烯或石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的制备方法以高纯的二氧化硅、三氧化二铝、氮化铝、碳化硅、氧化锆和碳化硼等材料的粉体作为基材；从金属粉体 Cu、Ir、Pt、Mo、W、Zn、Nb、Ta、Ru、T1、Zr、Pd、Fe、Co、N1、V、Rh 等中选出一种或多种，以一定的比例与一种或多种陶瓷粉充分混合均匀，通过机械压片的方法得到多孔基底，经过高温退火得到多孔的陶瓷材料。利用化学气相沉积(CVD)法宏量制备石墨烯的方法，得到一种石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料。该复合导电材料的制备工艺简单，导电性能优异，环境友好，取材广泛。该石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的制备具有原创性和积极的科学意义，并能应用到光伏、导电、散热等诸多领域。本发明所述石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料是由石墨烯沉积在多孔复合陶瓷基底上而得到的复合材料，其制备方法具体如下:(I)以市售高纯的二氧化硅、三氧化二铝、氮化铝、碳化硅、氧化锆和碳化硼等材料的陶瓷粉体作为基材，从金属粉体 Cu、Ir、Pt、Mo、W、Zn、Nb、Ta、Ru、T1、Zr、Pd、Fe、Co、N1、V、Rh等中选出一种或多种，以一定的比例与一种或多种陶瓷粉充分混合均匀；通过加入适量的粘结剂，经研磨、烘干后得到压片材料。称量适量的粉体材料，放入磨具中，在适当的压强下压片并保压适量的时间。压制成型后的基片从模具中取出，通过清理边缘凸起得到平整的圆片状基片。将基片在高温炉中退火成多孔陶瓷。(2)将退火后的陶瓷放入化学气相沉积反应室，密封并检查高温反应室气密性，在保护气氛下排出高温反应室中残余气体，然后进行程序升温，升温速率在0.5-200C /分钟。加热至反应温度600-1300°C，恒温1-180分钟后，导入碳源、氢气和保护气，气体流量为l-800sccm，反应时间1-180分钟，反应完毕，控制降温速率为10_50°C /分钟，冷却至室温。为了制得三维石墨烯材料，再进行以下步骤:(3)将石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料先用PMMA保护下，放入0.5mol/L的HF溶液中去除复合陶瓷骨架；然后在丙酮溶液中溶去PMMA，50°C烘干后得到多孔石墨烯。所述步骤(I)中，多孔复合陶瓷的制备需要的材料为二氧化硅、三氧化二铝、碳化硅、氧化锆和碳化硼等材料，经过球磨适当的时间得到颗粒均匀的粉体。所述步骤(I)中，所需要的金属粉体为Cu、Ir、Pt、Mo、W、Zn、Nb、Ta、Ru、T1、Zr、Pd、Fe、Co、N1、V、Rh等。从中选出一种或多种，以一定的质量比例与一种或多种陶瓷粉体混合，金属粉体的质量占粉体混合的比例控制在1% -20%之间，经球磨一定的时间将其充分混合均勻。所述步骤(1)中，在粉体中加入粘结剂为丙二醇、聚偏氟乙烯(PVDF)、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、PEG(聚乙二醇)、PVA(聚乙烯醇)等或者它们的混合溶剂。其比例占粉体质量的0.1%-99%。充分研磨后真空干燥一定时间。所述粘结剂优选PVA溶剂。所述步骤(1)中，称量适量的混有粘结剂的粉体材料，加入到压片模具(模具的内径在7mm-250mm之间)中，在压片机中压片。调节适度的压强，压强范围在IMPa-1OOMPa之间；保压一定的时间，时间范围在I分钟-60分钟之间。将压好的基片清除边缘的凸起后等待后续反应。所述步骤(1)中，在高温炉中进行高温退火的温度在1000-1600°C之间，保温温度在0.1-10小时之间。优选温度为1250°C，1300°C或1350℃。所述步骤⑵中，化学气相沉积法所采用的碳源包括:甲烷、乙烯、乙炔、乙醇、乙烷、丙烷以及它们的混合气。采用的保护气包括:氮气、氩气、氦气以及它们的混合气。采用的还原气体(分裂气体)为氢气。所述步骤(2)中，程序升温，升温速率在0.5-20°C /分钟。然后进行加热至反应温度600-1400°C，恒温1-240分钟后，导入碳源、氢气和保护气，气体流量为l-800sccm，反应时间1-480分钟，反应完毕，控制降温速率为10-50°C /分钟，冷却至室温。所述步骤(3)中，有机保护剂为3 %的PMMA的苯甲醚溶液；刻蚀液为0.5mol/L的HF溶液。所制备的石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料可应用于光伏、导电材料、散热器件等领域。
实施例下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量计。实施例1将Al2O3加入质量分数为10 %的镍粉进行球磨I小时，并混合均匀。加入5%的粘结剂，通过充分研磨真空干燥，获得干燥后样品；称取干燥后样品0.3g、0.45g、0.6g放入内径IOmm的模具中，在5MPa、10MPa、15MPa、20MPa的压强下保压10分钟、20分钟、30分钟。取出压制好的基片，处理掉基片边缘的凸起。将基片放入到高温炉中，以10°C /分钟的速度升温至1300°C，保温I小时后，自然冷却至室温。将多孔陶瓷装入化学气相沉积(CVD)反应炉，通入lOOsccm氢气和300sCCm氩气，以I (TC /分钟的升温速度加热至1100°C、1150°C、120(TC、125(rC，恒温时间分别持续10分钟、30分钟、60分钟，之后通入10sccm、20sccm、30sccm、40sccm甲烧，调节氢气流量到50sccm,反应时间分别30分钟、60分钟、150分钟、180分钟、210分钟、240分钟，300分钟。反应结束后停止通入甲烷，保持氢气和氩气的流量不变，控制降温速率为10°C /分钟降到400°C，然后自然冷却到室温。样品的扫描电镜照片和拉曼光谱如图1和图2所示。将样品通过霍尔仪测试，发现样品具有优异的导电性能，方块电阻最低为0.1572 Ω /Sq (欧姆/平方)。将得到的样品先用PMMA保护，放入0.5mol/L的HF溶液中去除复合陶瓷骨架；然后在丙酮溶液中溶去PMMA，50°C烘干后得到多孔石墨烯。表1:多孔石墨烯或石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的电学性能。
权利要求
1.一种石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的制备方法，所述导电材料由石墨烯和多孔复合陶瓷组成，所述方法包括: (a)将一种或多种陶瓷粉体和一种或多种金属粉体研磨成为粒径大小不均的陶瓷粉体和金属粉体； (b)将一种或多种陶瓷粉体与一种或多种金属粉体混合均匀； (C)在混合均匀的粉体中加入粘结剂，研磨混合均匀并烘干，形成烘干后的样品； (d)将所述烘干后的样品在进行成型，获得多孔的基底； (e)将所述多孔的基底高温退火成型，获得多孔的陶瓷基底；和 (f)通过化学气相沉积方法在所述多孔的陶瓷基底上直接生长石墨烯，获得石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的制备方法，其特征在于:所述陶瓷粉末为选自二氧化硅、三氧化二铝、氮化铝、碳化硅、氧化锆、碳化硼和其组合的粉末；所述金属粉体是选自 Cu、Ir、Pt、Mo、W、Zn、Nb、Ta、Ru、T1、Zr、Pd、Fe、Co、N1、V 和 Rh 中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的制备方法，其特征在于:所述粘结剂为丙二醇、聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇以及它们的混合溶剂。
4.根据权利要求1所述的石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的制备方法，其特征在于:所述粘结剂占粉体 质量的0.1% -99%。
5.根据权利要求1所述的石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的制备方法，其特征在于:所述成型通过机械压片法、旋涂法、刮涂法进行；优选机械压片法，其中，机械压片法所用的模具的内径在7mm-250mm之间；所述机械压片在IMPa-1OOMPa的压强范围下进行I分钟_60分钟。
6.根据权利要求5所述的石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的制备方法，其特征在于:所述方法还包括将机械压片后的多孔基片边缘的凸起清除。
7.根据权利要求1所述的石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的制备方法，其特征在于:高温退火的温度在800-1600°C之间，保温时间在0.5小时-20小时之间。
8.根据权利要求1所述的石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的制备方法，其特征在于:化学气相沉积法所采用的碳源包括:甲烷、乙烯、乙炔、乙醇、乙烷、丙烷以及它们的混合气；采用的保护气包括:氮气、氩气、氦气以及它们的混合气；以及采用的还原气体为氢气。
9.根据权利要求1所述的石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料的制备方法，其特征在于:所述化学气相沉积法包括: (a)程序升温，升温速率在0.5-200C /分钟；加热至反应温度600-140(TC，恒温1-240分钟； (b)然后导入碳源、氢气和保护气，气体流量为l-800SCCm，反应时间1-480分钟； (c)反应完毕后，控制降温速率为10-50°C/分钟，冷却至室温。
10.一种三维多孔石墨烯材料的制备方法，所述方法包括: (a)将一种或多种陶瓷粉体和一种或多种金属粉体研磨成为粒径大小不均的陶瓷粉体和金属粉体；(b)将一种或多种陶瓷粉体与一种或多种金属粉体混合均匀； (C)在混合均匀的粉体中加入粘结剂，研磨混合均匀并烘干，形成烘干后的样品； (d)将所述烘干后的样品在进行成型，获得多孔的基底； (e)将所述多孔的基底高温退火成型，获得多孔的陶瓷基底； (f)通过化学气相沉积方法在所述多孔的陶瓷基底上直接生长石墨烯，获得石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料；和 (g)通过骨架刻蚀的方法，去除作为骨架的多孔的陶瓷基底，得到三维多孔石墨烯。
11.根据权利要求10所述的三维多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于:所述陶瓷粉末为选自二氧化硅、三氧化二铝、氮化铝、碳化硅、氧化锆、碳化硼和其组合的粉末；所述金属粉体是选自 Cu、Ir、Pt、Mo、W、Zn、Nb、Ta、Ru、T1、Zr、Pd、Fe、Co、N1、V 和 Rh 中的一种或多种。
12.根据权利要求10所述的三维多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于:所述粘结剂为丙二醇、聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇以及它们的混合溶剂。
13.根据权利要求10所述的三维多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于:所述粘结剂占粉体质量的0.1% -99%。
14.根据权利要求10所述的三维多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于:所述成型通过机械压片法、旋涂法、刮涂法进行；优选机械压片法，其中，所用的模具的内径在7mm-250mm之间；所述机械压片在IMPa-1OOMPa的压强范围下进行I分钟-60分钟。
15.根据权利要求14所述的三维多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于:所述方法还包括将机械压片后的多孔基片边缘的凸起清除。
16.根据权利要求10所述的三维多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于:高温退火的温度在800-1600°C之间，保温时间在0.5小时-20小时之间。
17.根据权利要求10所述的三维多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于:化学气相沉积法所采用的碳源包括:甲烷、乙烯、乙炔、乙醇、乙烷、丙烷以及它们的混合气；采用的保护气包括:氮气、IS气、氦气以及它们的混合气；以及米用的还原气体为氢气。
18.根据权利要求10所述的三维多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于:所述化学气相沉积法包括: (a)程序升温，升温速率在0.5-200C /分钟；加热至反应温度600-140(TC，恒温1-240分钟； (b)然后导入碳源、氢气和保护气，气体流量为l-800SCCm，反应时间1-480分钟； (c)反应完毕后，控制降温速率为10-50°C/分钟，冷却至室温。
19.根据权利要求10所述的三维多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于:将所述石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料在有机物保护下放入刻蚀液中去除作为骨架的多孔的陶瓷基底，得到三维多孔石墨烯。
20.根据权利要求1-9任一项所述制备方法制的石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料，其中所述石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料由石墨烯和多孔复合陶瓷组成。
21.根据权利要求10-19任一项所述制备方法制的三维多孔石墨烯材料。
22.权利要求20所述石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料或者权利要求21所述三维多孔石墨烯材料在光伏、导电材料、散热器件中的应用。
全文摘要
本发明涉及一种新型的多孔石墨烯或石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料与制备方法，其特征在于该方法包括将金属粉体与陶瓷粉体材料混合均匀后用一定方式成型，形成多孔基底；采用化学气相沉积方法生长石墨烯，得到多孔石墨烯或石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料。本发明所述材料具有优良的导电性能。本发明所用陶瓷材料为二氧化硅、三氧化二铝、氮化铝、碳化硅、氧化锆和碳化硼等材料；所用的金属为Cu、lr、Pt、Mo、W、Zn、Nb、Ta、Ru、Ti、Zr、Pd、Fe、Co、Ni、V、Rh或其组合。该石墨烯/多孔复合陶瓷导电材料在现有技术中并未出现，而且，具有积极的技术效果和应用，包括能应用到光伏、导电、散热等诸多领域。
文档编号H01B13/00GK103219089SQ20121001593
公开日2013年7月24日 申请日期2012年1月18日 优先权日2012年1月18日
发明者黄富强, 周密, 毕辉 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所