石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料及制备方法和应用与流程

本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料及制备方法和应用。

背景技术：

导电材料具有很多用途，例如电路板，电线以及点焊接材料等。其中石墨烯是一种具有非常好导电性的一种物质。石墨烯是由六方排列的sp²碳原子组成的具有单原子厚度的二维片层，它是石墨的组成基元。另外，银和铜也是非常好的导电材料。石墨烯作为二维导电材料，在层间的电子传递速率较低，影响了其导电性能，而银和铜的纳米粒子恰好可以作为石墨烯层间导电的桥梁。

银作为导电材料价格昂贵，而铜作为导电材料价格低廉，且其电导率与银接近。但是铜作为导电材料，特别是在纳米尺度下容易氧化，其导电性能大幅下降，因此人们利用银包覆铜纳米粒子作为导电材料，同时降低了材料成本和抗氧化性能。

为了解决石墨烯基导电材料的层间电阻较大的问题，需要发展抗氧化，导电性好以及成本低廉的石墨烯基复合材料。本发明专利针对该问题，发展了新型结构的复合物。

技术实现要素：

本发明提出了一种石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料及制备方法和应用，解决了上述问题。

实现本发明的技术方案是：一种石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料，复合材料中石墨烯的质量百分比为1-20%，银包铜纳米粒子的质量百分比为80-99%，其中银包铜纳米粒子吸附在石墨烯片层上。

所述银包铜纳米粒子的尺寸为10-500nm。

所述银包铜纳米粒子中银的质量百分比为10-30%，铜的质量百分比为70-90%。

一种石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料的制备方法，步骤如下：

（1）以天然鳞片状石墨为原料，利用hummers法制备氧化石墨烯的胶体溶液；

将1单位质量的天然鳞片状石墨加入20-50单位质量的浓硫酸与高碘酸钠的混合溶液中，0℃的冰浴下搅拌3-5小时；然后再升高温度至35℃，并保持此温度0.5小时到10小时，所得混合物变成粘稠状；然后向该混合物中加入50-100单位质量的水，并升高温度至90-95℃，维持此温度15-60分钟；之后再加入1-5单位质量的双氧水，搅拌0.5到5小时后再加入50-100单位质量的水，趁热过滤，用稀盐酸（3-10%）洗涤3-5次后再用去离子水清洗3次并过滤；将所得滤饼放入400-1000单位质量的水中超声处理1-3小时，即得到氧化石墨烯的胶体溶液；

（2）将铜盐溶解于乙二醇中，加入高分子保护剂和氢氧化钠的乙二醇溶液，搅拌均匀后，氮气或氩气气氛下在130-180℃反应2-24h，得到铜纳米溶胶；向铜纳米溶胶中加入硝酸银，在60-150℃氮气或氩气气氛下反应1-72h；得到银包铜纳米颗粒浆料；沉降、离心洗涤；

（3）将步骤（2）得到的银包铜纳米颗粒浆料分散乙二醇中，之后加入步骤（1）得到的氧化石墨烯的胶体溶液混合均匀，在70-190℃之间氮气或氩气气氛下反应0.5-36h，得到石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料。

所述步骤（2）中以1份铜盐为基准，乙二醇、高分子保护剂、氢氧化钠的乙二醇溶液和硝酸银的加入量分别为25-50份、1-3份、25-50份和0.1-0.3份，其中氢氧化钠的乙二醇溶液中氢氧化钠的质量分数为1%-10%。

所述步骤（2）中铜盐为硫酸铜、氯化铜、硝酸铜和醋酸铜中的一种或多种。

所述步骤（3）中将1份银包铜纳米颗粒浆料分散于30-50份乙二醇中，银包铜纳米颗粒与氧化石墨烯的质量比为（80-99）：（1-20）。

所述的石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料导电材料及吸附材料中的应用。

本发明的有益效果是：

（1）通过石墨烯的高比表面吸附作用，能够有效的吸附银离子和铜离子，从而阻止银离子迁移、铜离子迁移；另外由于石墨烯的阻水阻氧特性，能够有效的防止银和铜的氧化。

（2）银包铜颗粒通过石墨烯之间的桥接，能够有效的减少接触电阻，从而使得本发明所获得材料相比于单一的银包铜的颗粒将有更好地导电性。

（3）相比于石墨烯与银的复合材料，成本更为低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1所制备银包铜纳米粒子的扫描电镜照片。

图2为实施例1所制备石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料扫描电镜照片。

图3为实施例2所得石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料扫描电镜照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料的制备方法，步骤如下：

（a）将1g的天然鳞片状石墨加入50g的浓硫酸与高碘酸钠的混合溶液中（高碘酸纳的质量分数为4%），0℃的冰浴下搅拌5小时；然后再升高温度至35℃，并保持此温度5小时，所得混合物变成粘稠状；然后向该混合物中加入100g的水，并升高温度至95℃，维持此温度60分钟；之后再加入5g的双氧水，搅拌2小时后再加入100g的水，趁热过滤，用10%稀盐酸洗涤3次再用去离子水清洗3次，将所得滤饼放入600g的水中超声处理1小时，即得到氧化石墨烯的胶体溶液。

（b）将100g氯化铜溶解于2500g的乙二醇中，加入200g聚乙烯吡咯烷酮，加入2500g氢氧化钠的乙二醇溶液其中氢氧化钠的质量分数为5%，搅拌均匀后，氮气保护下150℃反应10小时，得到铜纳米溶胶，加入10g的硝酸银，在100℃氮气或氩气气氛下反应10小时，得到银包铜纳米粒子；通过沉降、离心等步骤洗去多余的高分子保护剂，将得到银包铜纳米颗粒浆料分散在1000g的乙二醇中。所得银包铜颗粒扫描电镜照片如图1所示。

(c)将步骤a与步骤b所得样品混合，在150℃氮气气氛下反应10小时，即得到石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料。所得石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料扫描电镜照片如图2所示。

实施例2

一种石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料的制备方法，步骤如下：

（a）将1g的天然鳞片状石墨加入50g的浓硫酸与高碘酸钠的混合溶液中（高碘酸纳的质量分数为4%），0℃的冰浴下搅拌5小时；然后再升高温度至35℃，并保持此温度5小时，所得混合物变成粘稠状；然后向该混合物中加入100g的水，并升高温度至95℃，维持此温度60分钟；之后再加入5g的双氧水，搅拌2小时后再加入100g的水，趁热过滤，用10%稀盐酸洗涤3次再用去离子水清洗3次，将所得滤饼放入600g的水中超声处理1小时，即得到氧化石墨烯的胶体溶液。

（b）将150g氯化铜溶解于2500g的乙二醇中，加入200g聚乙烯吡咯烷酮，加入2500g氢氧化钠的乙二醇溶液其中氢氧化钠的质量分数为5%，搅拌均匀后，氮气保护下150℃反应10小时，得到铜纳米溶胶，加入30g的硝酸银，在100℃氮气或氩气气氛下反应10小时，得到银包铜纳米粒子；通过沉降、离心等步骤洗去多余的高分子保护剂，将得到银包铜纳米颗粒浆料分散在1000g的乙二醇中。

（c）将步骤a与步骤b所得样品混合，在150℃氮气气氛下反应10小时，即得到石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料。所得石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料扫描电镜照片如图3所示。

实施例3

一种石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料的制备方法，步骤如下：

（a）将1g的天然鳞片状石墨加入50g的浓硫酸与高碘酸钠的混合溶液中（高碘酸纳的质量分数为4%），0℃的冰浴下搅拌3小时；然后再升高温度至35℃，并保持此温度5小时，所得混合物变成粘稠状；然后向该混合物中加入50g的水，并升高温度至90℃，维持此温度15分钟；之后再加入1g的双氧水，搅拌2小时后再加入50g的水，趁热过滤，用3%稀盐酸洗涤3次再用去离子水清洗3次，将所得滤饼放入400g的水中超声处理1小时，即得到氧化石墨烯的胶体溶液。

（b）将100g氯化铜溶解于2500g的乙二醇中，加入100g聚乙烯吡咯烷酮，加入2500g氢氧化钠的乙二醇溶液其中氢氧化钠的质量分数为1%，搅拌均匀后，氮气保护下180℃反应2小时，得到铜纳米溶胶，加入10g的硝酸银，在60℃氮气或氩气气氛下反应72小时，得到银包铜纳米粒子；通过沉降、离心等步骤洗去多余的高分子保护剂，将得到银包铜纳米颗粒浆料分散在3000g的乙二醇中。

（c）将步骤a与步骤b所得样品混合，在70℃氮气气氛下反应36小时，即得到石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料。

实施例4

一种石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料的制备方法，步骤如下：

（a）将1g的天然鳞片状石墨加入50g的浓硫酸与高碘酸钠的混合溶液中（高碘酸纳的质量分数为4%），0℃的冰浴下搅拌4小时；然后再升高温度至35℃，并保持此温度5小时，所得混合物变成粘稠状；然后向该混合物中加入60g的水，并升高温度至93℃，维持此温度30分钟；之后再加入3g的双氧水，搅拌2小时后再加入60g的水，趁热过滤，用6%稀盐酸洗涤4次再用去离子水清洗3次，将所得滤饼放入600g的水中超声处理2小时，即得到氧化石墨烯的胶体溶液。

（b）将100g氯化铜溶解于3000g的乙二醇中，加入200g聚乙烯吡咯烷酮，加入3000g氢氧化钠的乙二醇溶液其中氢氧化钠的质量分数为6%，搅拌均匀后，氮气保护下150℃反应10小时，得到铜纳米溶胶，加入20g的硝酸银，在100℃氮气或氩气气氛下反应30小时，得到银包铜纳米粒子；通过沉降、离心等步骤洗去多余的高分子保护剂，将得到银包铜纳米颗粒浆料分散在3000-5000g的乙二醇中。

（c）将步骤a与步骤b所得样品混合，在100℃氮气气氛下反应20小时，即得到石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料。

实施例5

一种石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料的制备方法，步骤如下：

（a）将1g的天然鳞片状石墨加入50g的浓硫酸与高碘酸钠的混合溶液中（高碘酸纳的质量分数为4%），0℃的冰浴下搅拌5小时；然后再升高温度至35℃，并保持此温度5小时，所得混合物变成粘稠状；然后向该混合物中加入100g的水，并升高温度至95℃，维持此温度60分钟；之后再加入5g的双氧水，搅拌2小时后再加入100g的水，趁热过滤，用10%稀盐酸洗涤5次再用去离子水清洗3次，将所得滤饼放入1000g的水中超声处理3小时，即得到氧化石墨烯的胶体溶液。

（b）将100g氯化铜溶解于5000g的乙二醇中，加入300g聚乙烯吡咯烷酮，加入5000g氢氧化钠的乙二醇溶液其中氢氧化钠的质量分数为10%，搅拌均匀后，氮气保护下180℃反应2小时，得到铜纳米溶胶，加入30g的硝酸银，在150℃氮气或氩气气氛下反应1小时，得到银包铜纳米粒子；通过沉降、离心等步骤洗去多余的高分子保护剂，将得到银包铜纳米颗粒浆料分散在5000g的乙二醇中。

（c）将步骤a与步骤b所得样品混合，在190℃氮气气氛下反应0.5小时，即得到石墨烯与银包铜纳米粒子的复合材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。