石墨烯－离子液体复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯－离子液体复合材料及其制备方法，该复合材料包括按照质量分数计的０．０１－９９．９９％石墨烯和０．０１－９９．９９％离子液体，离子液体具有极性的电子云结构，石墨烯为石墨烯片结构，离子液体通过其极性电子云结构掺杂于石墨烯片之间，形成石墨烯－离子液体的复合结构。其中，离子液体的极性电子云结构可以破坏石墨层层之间的相互作用力，降低石墨烯的聚集，从而使得复合材料具有高比表面积和比容量，可适用于电池或电容等的电极材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机-有机复合材料
，具体涉及一种导电性的石墨烯-离子 液体复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着科学技术的日益发展，人们逐渐从单纯的无机复合物料或有机复合材料转向 无机-有机复合材料，因其兼具无机材料和有机材料的双重性能，同时还具有某些独特的 复合结构而备受青睐。例如，英国曼彻斯特大学的安德烈· K ·海姆(Andre K. Geim)等在2004年制备出 石墨烯材料。由于其独特的结构和光电性质受到了人们广泛的重视。单层石墨由于其大的 比表面积、优良的导电导热性能和低的热膨胀系数而被认为是理想的电极材料。但是单一 的石墨烯材料作为电极材料，受到了诸多方面的限制，如石墨烯之间聚集导致了其比表面 积的降低，从而大大的降低了其作为电极材料的比容量和电导率，直接影响到其作为电极 材料的性能。因此，很多研究致力于将单层石墨与其它材料结合，形成复合材料，以克服以 上不足。目前，石墨烯材料应用最广泛的是作为电极材料，例如用作超级电容器。然而，由 于单一的石墨烯材料的上述缺点限制其在电极材料上的应用。聚合物由于具有价廉易得、 质量轻、成型加工性好等优点，成为与石墨烯材料复合的研究热点之一。例如，将石墨烯与 聚乙烯、聚酰胺或聚氨酯等采用纺丝工艺制备出聚合物复合纤维材料。然而，石墨烯与聚合 物复合时，由于聚合物易于团聚，因而，复合材料难以利用单层石墨烯的大比表面积，整个 复合材料的比表面积并未获得提高，同时这种复合纤维材料的比容量仍然较低，这些因素 直接影响其作为超级电容器等电极材料的应用。另外，也有将石墨烯通过电化学方法得到阳离子修饰的单层石墨烯片，在这种电 化学法制备的石墨烯容易发生化学反应，导致石墨烯的性质发生改变。而且石墨烯材料本 身的溶解性较差，只能溶解到少数的溶剂中，这就导致了其很难与其他的材料复合形成混 合均勻的复合材料。目前，大部分含石墨烯的复合材料都是石墨烯的悬浮液和另外一种物 质的混合。这种方法的缺点就导致了石墨烯聚集，从而引起了石墨烯材料的特性的降低，例 如，降低了其作为电极材料的性能。
技术实现思路
有鉴于此，提供一种比表面积大、比容量高的石墨烯-离子液体复合材料，以及一 种工艺简单、成本低的石墨烯-离子液体复合材料制备方法。—种石墨烯-离子液体复合材料，其包括按照质量分数计的0. 01-99. 99%石墨烯 和0.01-99. 99%离子液体，所述离子液体具有极性的电子云结构，所述石墨烯为石墨烯片 结构，所述离子液体通过其极性电子云结构掺杂于石墨片之间，形成石墨烯-离子液体的 复合结构。以及，一种石墨烯-离子液体复合材料制备方法，其包括如下步骤获得石墨烯分散液提供石墨烯原材料，将其溶解于溶剂中，并进行超声、加热处 理，获得石墨烯分散液；形成石墨烯、离子液体和溶剂的混合体系在所述石墨烯分散液中，加入离子液 体，同时超声振荡加入的离子液体，使其与石墨烯反应，形成石墨烯、离子液体和溶剂的混 合体系，其中所述离子液体具有极性电子云结构，所述石墨烯为石墨烯片结构。旋转蒸发溶剂旋转蒸发除去大部分溶剂；过滤将蒸发后的混合体系过滤，获得石墨烯-离子液体的复合材料，其中所获得 的复合材料包括按照质量分数计的0. 01-99. 99%石墨烯和0. 01-99. 99%离子液体。在所述石墨烯-离子液体复合材料中，所述石墨烯为石墨烯片结构，石墨烯片之 间具有η-η键，从而可以让离子液体通过其极性电子云结构掺杂在石墨烯片之间，形成 复合结构。其中，离子液体的极性电子云结构可以破坏石墨层层之间的相互作用力，降低石 墨烯的聚集，从而提高了复合材料的比表面积，当其用作电极材料时，具有较高的比容量。 在石墨烯-离子液体复合材料制备方法中，在溶剂存在下，通过将石墨烯分散液和离子液 体在超声下反应，通过这种一步反应即获得该复合材料，使得该制备工艺简单可靠，有效降 低工艺成本。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中图1是本专利技术实施例的石墨烯-离子液体复合材料的制备方法流程图；图2是本专利技术实施例的石墨烯-离子液体复合材料的制备方法中得到的单层石墨 的扫描电镜照片。具体实施例方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并 不用于限定本专利技术。本专利技术实施例的石墨烯-离子液体复合材料包括按照质量分数计的 0. 01-99. 99%石墨烯和0. 01-99. 99 %离子液体，所述离子液体具有极性的电子云结构，所 述石墨烯为石墨烯片结构，所述离子液体通过其极性电子云结构掺杂于石墨片之间，形成 石墨烯-离子液体的复合结构。石墨烯在复合材料中所占的质量分数优选为10-80 %，在一个具体实施例中，石墨 烯的质量分数约为30%。石墨烯在复合材料中的含量过高时，例如高于80%，此时离子液 体含量相对较少，不足以充分分散石墨烯，会有少量的石墨烯产生聚集；过低时，例如低于 10%，石墨烯含量相对较少，成形较难，稳定性差。石墨烯与聚苯胺的含量较为适中时，相互 之间易于较好复合，具有很好的电极材料性能。该石墨烯是以分散的单层石墨烯形式存在， 没有发生明显的聚集或团聚现象，并以单层石墨形式与离子液体相结合或复合成复合结 构。由于两者的电子云相互作用，且离子液体的极性电子云结构可以破坏石墨层层之间的 相互作用力，降低石墨烯的聚集，因而离子液体可存在于石墨烯层与层之间，以通过离子液体极性的电子云与石墨烯片之间的n-n键相互作用，使离子液体掺杂于石墨烯片之间。 本专利技术一个优选的实施例中，石墨烯是通过天然石墨脱落而来的，是高质量的石墨烯片，具 有较高的导电性和比表面积。这样，在复合材料中，石墨烯仍能保留单层石墨所具有的大比 表面积、优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，并体现在整个复合材料中，消除了石墨 烯易聚集的不足。离子液体在复合材料中所占的质量分数优选为40-70%，更佳为50-60%，在一个 具体实施例中，离子液体的质量分数约为50-55%。离子液体具有电子云结构，具有强极性， 表现出很强的极化作用，可以降低石墨烯片n-n之间的相互作用力，使得石墨表面的石 墨烯层之间的η-η相互作用力降低，能降低石墨烯的聚集。具体地，复合结构中的单层石 墨烯与离子液体是通过离子液体的极性电子云的作用结合为一体，并使得复合材料呈现泥 状或糊状结构。离子液体可包括咪唑基四氟硼酸盐、咪唑基六氟磷酸盐、咪唑基二 ·三氟甲基磺 酸亚酰胺盐、吡咯基氟硼酸盐、吡咯基六氟磷酸盐、吡咯基二 ·三氟甲基磺酸亚酰胺盐、甲 氧乙烷基四氟硼酸盐、甲氧乙烷基二 ·三氟甲基磺酸亚酰胺盐、咪唑基六氟钽酸盐、咪唑基 四氟铌酸盐、咪唑基三氟磺酸盐、咪唑基二(三氟甲烷砜)酰亚胺、双三氟甲烷磺酰亚胺 锂中的至少一种。具体地，离子液体可包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMI-Big、 1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMI-BF4)U-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BMI-Pi^6)、 1-丁基-3-甲基咪唑二 ·三氟甲基磺酸亚酰胺盐(BMI-TFSI)U-甲基-丙基吡咯四氟硼 酸盐(MPPy-BF4)U-甲基_丙基吡咯六氟磷酸盐(MPPy-PF6)、1本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种石墨烯－离子液体复合材料，其包括按照质量分数计的０．０１－９９．９９％石墨烯和０．０１－９９．９９％离子液体，所述离子液体具有极性的电子云结构，所述石墨烯为石墨烯片状结构，所述离子液体通过其极性电子云结构掺杂于所述石墨烯片之间，形成石墨烯－离子液体的复合结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周明杰，王要兵，
申请(专利权)人：海洋王照明科技股份有限公司，深圳市海洋王照明技术有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]