CN104176728A - 一种控制氧化石墨烯纳米结构形貌的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制氧化石墨烯纳米结构形貌的制备方法。将氧化石墨粉超声分散到去离子水中得到0.5-2.0mg/mL的悬浮液;加入10-30mg聚乙烯醇和NiCl2,分别用超声和磁力搅拌各1小时;然后在120-200℃某一恒温反应10-16h;产物经洗涤,冷冻干燥5h以上。该方法是通过引入不同量Ni2+和改变温度,控制氧化石墨烯纳米片自组装行为,产物主要形貌包括单层、多层和三维网状结构。该技术克服了二维片状纳米材料自组装行为难以控制的难题,获得了具有高电容值和充放电性能稳定的超级电容材料。与常规方法相比,装置简单、易操作、产率高和可控性好,为纳米材料自组装、性能优化及器件化有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制氧化石墨烯纳米结构形貌的制备方法,尤其是,用于储能材料的不同形貌氧化石墨烯纳米结构的制备方法。采用水热法,通过在反应溶液中引入Ni2+离子并调节Ni2+浓度及反应温度实现纳米结构的形貌控制,形貌主要包括单层、多层和三维网状。
背景技术
石墨烯是由单层蜂窝状六边形sp2杂化碳原子构成的单原子层厚二维材料,具有优异的电、热传导性和机械性能。作为石墨烯的一个分支,氧化石墨烯(简称GO)材料通常是利用强氧化剂将天然氧化石墨粉氧化制得,表面丰富的共价含氧官能团和缺陷使其具有许多潜在的应用优势。例如,高密度储能材料;高效且成本低廉的碳催化剂;作为高效氧化剂被广泛用于有机反应体系,包括烯烃氧化成聚酯,甲基苯氧化成乙醛和二芳基甲烷氧化成甲酮等;此外,极性含氧官能团的存在使GO有很强的亲水性,导致它在多种溶剂(尤其是水)中表现出良好的分散性,这对于工业应用非常重要;这些官能团有助于其表面修饰或功能化。目前,GO纳米结构已被成功应用于微电子机械***、生物传感器和组织工程等许多领域。
作为储能材料,GO的充放电性能还受到纳米结构尺寸和形貌的影响。实现GO纳米结构的形貌控制对其性能调控和优化具有非常重要的意义。然而,这方面的研究工作仍鲜有报道。发展一种简单、经济且适用范围大的制备方法,对于获得优异的电容性能具有重要的意义。本发明公开了一步水热法技术路线,通过引入不同量的Ni2+离子和改变反应温度,达到控制GO纳米片自组装行为的目的,从而实现GO纳米结构的形貌调控,产物包括单层、多层和三维网状结构。该方法装置简单、容易操作、可控性好,具有很强的适用性。
发明内容
本发明的目的:提供一种控制氧化石墨烯纳米结构形貌的制备方法,主要形貌包括单层、多层和三维网状结构。该方法是通过引入不同量Ni2+和改变反应温度,达到控制GO纳米片自组装行为的目的。该技术克服了片状纳米材料自组装行为难以控制的难题,从而实现了在一个反应体系中制备多种不同形貌氧化石墨烯纳米结构,获得了具有高电容值和充放电性能稳定的超级电容材料;为纳米材料的可控自组装、性能优化及其器件化提供一种新的途径。
本发明的技术方案:以市场上购买的石墨粉为原料采用Hummer法制得氧化石墨粉;取20-40mg氧化石墨粉加入到去离子水中,并超声分散得到浓度为0.5-2.0mg/mL的悬浮液;在持续超声作用下,加入10-30mg聚乙烯醇(PVA)和一定质量的NiCl2.6H2O,混合溶液分别用超声和磁力搅拌各1小时;然后将混合溶液转移到反应釜的聚四氟乙烯内胆中,在120-200℃范围内的某一恒温下反应10-16h;反应结束后,自然冷却至室温,产物经反复离心、洗涤,最后在冷冻干燥机中干燥5h以上。
①作为最佳选择,制备单层、多层氧化石墨烯纳米结构的反应温度为120-150℃,制备三维网状纳米结构的反应温度为160-200℃。
②水热反应温度如果低于120℃时,产物出现氧化石墨烯的聚集体。
③为了保证悬浮物混合均匀,需要分别用超声和磁力搅拌各1小时。
④作为最佳选择,Ni2+与氧化石墨粉摩尔比(r)的范围是:不加入Ni2+时,产物为三维网状结构;r=0.02~0.10时,单层纳米片;r=0.10~0.15时,多层重叠纳米结构。
⑤Ni2+离子加入的量不能过多,当r>0.15时,会生成β-Ni(OH)2杂质。
⑥作为最佳选择,氧化石墨粉悬浮液的浓度为0.5-2.0mg/mL,PVA添加量为10-30mg。
⑦不同形貌氧化石墨烯纳米结构的水热反应时间均为10-16h;产物经反复离心、洗涤,最后在冷冻干燥机中干燥5h以上。
水热法克服了片状纳米材料自组装行为难以控制的难题,实现了在一个反应体系中制备多种不同形貌氧化石墨烯纳米结构;GO产物具有高的热稳定性和化学稳定性,性能可在较大范围内调控,因此在微纳电子机械***、储能和生物传感等许多领域具有潜在的应用前景。
本发明的有益效果:
结合水热法反应的优点,通过引入Ni2+离子和调节反应温度实现氧化石墨烯纳米结构的形貌控制。Ni2+离子的浓度对产物的形貌控制起着重要的作用。此方法易操作,产物纯度较高且易分离、容易实现材料的规模化制备。形貌控制诸如电容性能的优化提供了保障。
本发明提出的制备方法具有以下优点:
(1)产物具有高的热稳定性和化学稳定性;
(2)可控性好。仅调节Ni2+浓度和水热反应温度,实现氧化石墨烯纳米结构的形貌控制。
(3)产物的产率高。
(4)性能可控。由于GO纳米结构的性能高度依赖于形貌,因而可在较大范围内调控。
(5)制备方法简单,成本低廉,具有一定的工业化应用前景。
附图说明:
图1为不同形貌氧化石墨烯纳米结构的SEM图。(a-b)三维网状,(c)r=0.025,单层氧化石墨烯;(d)r=0.050,部分单层氧化石墨烯;(e)r=0.100,单层、多层氧化石墨烯的混合物;(f)r=0.150,多层氧化石墨烯。
图2为(a-b)三维网状和(c-d)多层纳米结构氧化石墨烯材料的TEM图片。
图3为不同温度、不同Ni2+与氧化石墨粉摩尔比(r)条件下产物的XRD图谱。
图4为不同形貌氧化石墨烯纳米结构修饰电极的CV图,扫描速率50mVs-1。
图5不同充/放电速率(v)下氧化石墨烯纳米结构修饰电极的质量比电容变化。
具体实施方式
本发明中控制氧化石墨烯纳米结构形貌的制备方法,具体实施方式如下:
实施例1
三维网状GO纳米结构:利用改进的Hummer法,以市场上购买的石墨粉为原料制得氧化石墨粉;取30.2mg氧化石墨粉加入到去离子水中,并超声分散得到浓度为1.0mg/mL的悬浮液;在持续超声作用下,加入20mg聚乙烯醇,混合溶液分别用超声和磁力搅拌各1小时;然后将混合溶液转移到反应釜的聚四氟乙烯内胆中,在180℃下反应12h;反应结束后,自然冷却至室温,产物经反复离心、洗涤,最后在冷冻干燥机中干燥20h。
图1a-b为实施例1得到的产物的代表性SEM图。可以看到,产物具有明显的三维网状结构,是由很薄的纳米片在三维空间里交织而成,形成很多孔。由于聚乙烯醇能够浸润到三维网状氧化石墨烯的孔隙里,这种纳米结构材料具有很好的柔韧性,在剧烈弯曲和扭转的情况下不会发生断裂。
实施例2
反应温度为120℃,其它条件同实例1。
实施例2产物为形貌不规则且尺寸很大的聚集体。这是由于在较低的温度下,π-π相互作用产生的吸引力远大于随机排列的排斥力,导致了氧化石墨烯纳米片紧密堆积构成的产物形成。这表明,温度低于120℃时,氧化石墨烯的三维网状纳米结构无法获得。
实施例3
Ni2+与氧化石墨粉摩尔比(r)为0.025时,反应温度为120℃,其它条件同实施例1。
实施例4
Ni2+和前驱体的摩尔比r=0.05时,其它条件同实施例3。
实施例5
Ni2+和前驱体的摩尔比r=0.10时,其它条件同实施例3。
实施例6
Ni2+和前驱体的摩尔比r=0.15时,其它条件同实施例3。
图1(c-f)为不同r条件下获得产物的SEM图片。可以看到,随着r的增加,氧化石墨烯纳米结构的形貌发生了从单层到多层的明显递变。当r=0.025时(实施例3),产物明显为单层纳米片(图1c);当r=0.05时(实施例4),部分产物为单层氧化石墨烯,但仍为单层纳米片为主(图1d);当r=0.1时(实施例5),产物为单层和多层氧化石墨烯纳米结构的混合物(图1e);当r增加到0.15时(实施例6),产物全部为多层氧化石墨烯纳米结构(图1f)。
图2a为实施例1获得的三维网状纳米结构的TEM图片。由于高温水热反应,纸褶皱状 的纳米结构生成。放大的TEM图片(图2b)表明,三维网状纳米结构具有互相连接的弯曲结构,且边缘并不光滑。插图为边缘的放大TEM图,证实了它是由氧化石墨烯纳米片所构成。从图2c-d可看出,产物具有透明的层状结构,一些褶皱出现在相对粗糙的表面。这些褶皱的存在降低了表面能,有利于多层结构的稳定性。表面上的褶皱有5-10nm的高度。如2d插图所示,碳晶格条纹易于出现在褶皱处,晶面间距为0.38nm。
图3为不同温度、不同Ni2+与氧化石墨粉摩尔比(r)条件下产物的XRD图谱。可以看到,它们具有相似的XRD衍射图谱,25°处的宽峰证实了石墨化特性仍然保持,该衍射峰的强度随着r的增加逐渐降低。当r=0.15时(实施例6),出现了对应于β-Ni(OH)2的(100)、(101)和(102)衍射特征峰。这一结果表明,当制备多层的氧化石墨烯纳米结构时,引入的Ni2+离子浓度不能太高,Ni2+离子不改变产物的组分和微观结构,只是仅对产物的形貌有影响。
如图4所示,由三维网状氧化石墨烯纳米结构修饰的电极具有最高的质量比电容(91.8F g-1),相应的单层、多层氧化石墨烯修饰的电极,其质量比电容的值分别为59.6F g-1和45.4F g-1。由于质量比电容值与电容材料的比表面积成正比,因此氧化石墨烯纳米结构的质量比电容值依次下降应归因于比表面积。氧化石墨烯的层数(LN)可以通过LN=2620×wt.%C/比表面积来进行计算,其中2620(m2g-1)是单层氧化石墨烯的理论比表面积,由于氧化石墨烯存在氧原子,LN可通过碳原子重量比(wt.%C)来进行修正,比表面积随层数的增加而减小,多层氧化石墨烯纳米结构具有最小的比表面积。
图5给出了单层、多层和三维网状氧化石墨烯修饰的三个电极,质量比电容值随充/放电速率(v)的变化趋势。三个电极的质量比电容在v=5V s-1时是352F g-1,而在v=80V s-1时是78F g-1。然而,当v从5V s-1增加到80V s-1时三个电极的电容都下降。其中,三维网状结构氧化石墨烯电极在相同的范围内保持了最高的质量比电容,这可能是由于三维多孔结构加速了充/放电过程中的电荷转移。此外,与单层、多层氧化石墨烯电极相比,三维网状氧化石墨烯电极具有更高的初始质量比电容,这是因为它拥有较高的比表面积,而多层氧化石墨烯中存在的密堆积单层结构阻碍了有效的电荷转移过程。特别是,三维网状纳米结构氧化石墨烯电极表现出的质量比电容值优于最近报道的最高值(v=5V s-1时,220F g-1)。
Claims (6)
1.一种控制氧化石墨烯纳米结构形貌的制备方法,其特征在于,采用水热法,通过在反应溶液中引入Ni2+离子并调节Ni2+与氧化石墨粉摩尔比及水热反应温度实现氧化石墨烯纳米结构的形貌控制,形貌主要包括单层、多层和三维网状。具体步骤为:以市场上购买的石墨粉为原料采用Hummer法制得氧化石墨粉;取20-40mg氧化石墨粉加入到去离子水中,并超声分散得到浓度为0.5-2.0mg/mL的悬浮液;在持续超声作用下,加入10-30mg聚乙烯醇(PVA)和一定质量的NiCl2·6H2O,混合溶液分别用超声和磁力搅拌各1小时;然后将混合溶液转移到反应釜的聚四氟乙烯内胆中,在120-200℃范围内的某一恒温下反应10-16h;反应结束后,自然冷却至室温,产物经反复离心、洗涤,最后在冷冻干燥机中干燥5h以上。
2.根据权利要求书1所述的一种控制氧化石墨烯纳米结构形貌的制备方法,其特征在于,为了保证悬浮物混合均匀,加入PVA后的混合溶液需要分别用超声和磁力搅拌各1小时。
3.根据权利要求书1所述的一种控制氧化石墨烯纳米结构形貌的制备方法,其特征在于,氧化石墨粉悬浮液的浓度为0.5-2.0mg/mL,PVA添加量为10-30mg。
4.根据权利要求书1所述的一种控制氧化石墨烯纳米结构形貌的制备方法,其特征在于,Ni2+与氧化石墨粉摩尔比(r)的最佳范围为:r=0时,产物为三维多孔网状氧化石墨烯;r=0.02~0.10,单层氧化石墨烯;r=0.10~0.15,多层氧化石墨烯纳米结构;Ni2+离子加入的量不能过多,当r>0.15时,会生成β-Ni(OH)2杂质。
5.根据权利要求书1所述的一种控制氧化石墨烯纳米结构形貌的制备方法,其特征在于,单层、多层氧化石墨烯纳米结构的最佳反应温度为120-150℃,而三维网状纳米结构最佳反应温度为160-200℃。
6.根据权利要求书1所述的一种控制氧化石墨烯纳米结构形貌的制备方法,其特征在于,不同形貌氧化石墨烯纳米结构的水热反应时间均为10-16h;产物经反复离心、洗涤,最后在冷冻干燥机中干燥5h以上。
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CN104176728B (zh) | 2016-05-18 |
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