[发明专利]一种石墨烯复合物、其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种石墨烯复合物、其制备方法和用途。本发明提供了一种石墨烯复合物，包括纳米纤维素与石墨烯类物质，其中纳米纤维素的至少一部分插入在石墨烯类物质之间。本发明的石墨烯复合物在溶剂中非常容易分散，并且不易团聚，甚至无需超声或分散剂的帮助。

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，具体而言，涉及一种石墨烯复合物、其制备方法和用途。

背景技术

石墨烯是一种由单层sp2杂化碳原子组成的蜂窝状结构的二维材料，具有许多优异的性能。自从2004年被发现起，石墨烯就成为了科学界的一大研究热点。在对石墨烯的物理化学性质进行研究的同时，与石墨烯相关的复合材料也层出不穷。在纳米科学方向上，石墨烯也被用来制备相关的纳米复合材料，尤其是石墨烯/金属或石墨烯/金属氧化物的纳米复合材料。由于石墨烯的优异性能，这些纳米复合材料在新型能源、生物传感、催化、光学材料等领域有着广阔的研究前景。

但是目前石墨烯的应用是个难题，最主要的原因之一就是分散性问题。因为石墨烯粒径小，容易团聚，团聚后性能大幅降低，导致石墨烯的优良性能难以体现。

市面上的石墨烯一般分粉体和浆料。对于粉体来讲，应用之前需要强力的超声，甚至需要有分散剂协助分散。对于浆料来言，情况稍好一些，但是使用之前也需要超声，并且分散液中也会有分散剂。为了更好地提高分散性，一般情况下都会对石墨烯进行改性或者选择更好的分散剂，或者将石墨烯浓度越低越好，市面上的石墨烯浆料的浓度一般为0.5wt％以下，否则分散效果会很差，容易产生沉淀。这样不但增加了运输成本，还造成了大量的溶剂污染，并且在下游应用时需要去除分散液，无形之中增加了工艺复杂性和成本。

发明内容

本发明人出人意料地发现，石墨烯难以分散的问题能够通过以下技术手段解决：一种石墨烯复合物，包括主要由纳米纤维素与石墨烯类物质组成的石墨烯复合物，其中纳米纤维素的至少一部分插入在石墨烯类物质之间。

所述石墨烯类物质包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生物的一种或几种的混合。

石墨烯为层状结构或者褶皱片状结构，且片层尺寸为纳米级别，因为存在分子间作用力，容易导致其团聚。而纳米纤维素也为纳米级别，但是存在长径比，相当于一根一根的棒状结构。当两种不同的纳米材料混合在一起时，通常认为他们也仍然会团聚。本发明人出人意料地发现，纳米纤维素与石墨烯类物质充分分散，所得到的石墨烯复合物无需超声或分散剂也非常容易分散在液体中。

本发明中，纳米纤维素的直径要小于石墨烯类物质的片径。不受理论限制，认为在两者混合过程中，由于纳米纤维素的小直径很容易插入石墨烯片层之间，又因为纳米纤维素的长度将石墨烯之间撑开，减弱了石墨烯片层之间的分子间作用力，使得石墨烯类材料团聚后易于后期分散。

优选地，所述石墨烯的层数为1-10层；优选地，所述石墨烯选自单层石墨烯、双层石墨烯以及具有3-10层的少层石墨烯中的一种或多种。

优选的，所述生物质石墨烯为以生物质资源为主要原料，经过催化、碳化工艺制备而成的含有单层石墨烯、少层石墨烯、石墨烯纳米片层结构，并负载金属/非金属化合物的复合炭材料。

优选地，所述石墨烯衍生物包括元素掺杂石墨烯或官能团化石墨烯物中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述石墨烯衍生包括元素掺杂石墨烯或官能团化石墨烯物中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述元素掺杂石墨烯包括金属掺杂石墨烯或非金属元素掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合。

优选地，所述金属掺杂石墨烯中的金属元素包括钾、钠、金、银、铁、铜、镍、铬钛、钒或钴。

优选地，非金属元素掺杂石墨烯中的非金属元素包括氮、磷、硅、硼或硅。