CN106058233A - 一种过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）根据过渡金属氧化物在石墨烯上的负载量以及目标产物的制备量，称取过渡金属硝酸盐，将其溶于氧化石墨烯水分散液中；（2）在步骤（1）的分散液中加入适量有机燃料，搅拌并超声得到均匀分散液；（3）将步骤（2）得到的分散液加热浓缩至粘稠，放入温度为300~900℃的加热炉内引燃，燃烧完成后，冷却至室温，即得到最终产物。本发明合成温度低、时间短，实施简单且成本低廉，过渡金属氧化物粒径小，大小均匀，在石墨烯上分散性均匀，适于工业化生产。

Description

一种过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料合成技术领域，涉及碳基纳米复合材料制备的制备方法。
技术背景
石墨烯基作为锂电池负极材料具有比石墨类材料更优异的导电性，更高的比表面积，更好的化学稳定性，以及较宽的电化学窗口，其作为锂离子二次电池负极材料具有巨大的潜力。但是纯石墨烯在使用物理法制备时成本高昂，使用还原氧化石墨法制备过程中容易再次堆垛，对锂离子完全嵌入/脱出十分不利。因此，石墨烯作为电池负极材料时通常加入其它无机材料，以提高其容量性质。过渡金属Co、Fe、Ni等的氧化物对锂离子具有较强的活性， 具有较高的可逆容量，因而可以作为锂离子电池负极材料。然而在充放电的过程中，过渡金属氧化物电极会出现巨大的体积变化，进而导致电极粉碎，电极容量迅速的衰减。为了克服这一障碍，具有高电导率和较好延展性的碳质材料被用来作为过渡金属氧化物的基质，来提高电极的循环性能。相对于石墨、碳黑、碳纳米管、富勒烯等碳质材料，石墨烯能够更有效的缓冲电极在充放电过程中因体积变化出现的应力，并能保持整个电极高的电导率。因此石墨烯负载过渡金属氧化物作为锂电池负极材料可以实现石墨烯与过渡金属氧化物优势互补，实现协同增强效应：提高可以较好的抑制充放电过程中出现的过渡金属氧化物颗粒的团聚;较好的调节充放电过程中出现的体积变化;可以使过渡金属氧化物在复合材料中的重量比达到很高的值;保持整个电极具有高的电导率；最终实现对锂电池倍率放电和循环性能的改进。
发明内容
本发明的目的在于提出一种过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合材料的制备方法，以解决过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合材料传统制备方法存在的耗时长、纯度低、粒度较大、产物稳定性差，收率低，不利于商业化合成等问题，该方法能耗低、耗时短、易于操作、对环境无污染。
本发明所述的一种过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤。
（1）根据过渡金属氧化物在石墨烯上的负载量以及目标产物的制备量，称取相应量的过渡金属硝酸盐，将其溶于一定体积的浓度为0.5~5g/L 的氧化石墨烯水分散液中。
（2）在步骤（1）的分散液中加入适量有机燃料，搅拌并超声15~90分钟得到均匀分散液。
（3）将步骤（2）得到的分散液加热浓缩至粘稠，放入温度为300~900℃的加热炉内引燃，燃烧完成后，冷却至室温，即得到最终产物。
本发明所述制备方法的步骤（1）中，所述的过渡金属为Co、 Ni、 Fe、 Cu、 Zn、 Mn或者Cr的一种或多种。
本发明所述制备方法的步骤（1）中，所述的过渡金属氧化物在石墨烯上的负载量为20~200%（质量比）。
本发明所述制备方法的步骤（2）中，所述的有机燃料为甘氨酸、尿素和乙二醇中的一种或两种，所加有机燃料的摩尔数为反应物中过渡金属硝酸盐摩尔数总和的0.5 ~10倍。
本发明制备过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合材料的方法是将过渡金属硝酸盐、氧化石墨烯溶液、有机燃料混合超声振荡得到均匀混合溶液，然后加热混合溶液至粘稠状，放入温度为300~900℃的加热炉腔内引燃，燃烧完成后，取出粉体得到最终产物。本发明合成温度低、时间短，实施简单且成本低廉，无需额外添加还原剂便可实现氧化石墨烯高温自还原得到高质量石墨烯，过渡金属氧化物粒径小，大小均匀，在石墨烯上分散性均匀，是一种快速、高产率、适于工业化生产过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合材料的制备新方法。
附图说明
图1 是本发明实施例1样品的XRD图谱，如图所示，这些已指标化的衍射峰与JCPDS***为39-1346的Fe2O3的特征衍射峰吻合，在2θ为20~30o的区域有一个很弱的衍射峰，对应的是石墨烯的特征衍射峰，以上表明产物为氧化铁/石墨烯复合材料。
图2 是本发明实施例1样品的透射电镜照片， Fe2O3的纳米粒子均分布在石墨烯上，Fe2O3粒子的平均粒径约为6 nm。
图3 是本发明实施例2 样品的XRD图谱，如图所示，这些已指标化的衍射峰与JCPDS***为47-1049 的NiO的特征衍射峰吻合，其，在2θ为20~30o的区域有一个很弱的衍射峰，对应的是石墨烯的特征衍射峰，以上表明产物为氧化镍/石墨烯纳米复合材料。
图4是本发明实施例2样品的透射电镜照片，NiO的纳米粒子均分布在石墨烯上，NiO粒子的平均粒径约为20 nm。
图5是本发明实施例3样品的XRD图谱，如图所示，这些已指标化的衍射峰与JCPDS***为43-1003的Co3O4的特征衍射峰吻合，在2θ为20~30o的区域有一个很弱的衍射峰，对应的是石墨烯的特征衍射峰，以上表明产物为产物为四氧化三钴/石墨烯复合材料。
图6是本发明实施例3样品的透射电镜照片， Co3O4的纳米粒子均分布在石墨烯上，Co3O4粒子的平均粒径约为15 nm。
具体实施方式
本发明将通过以下实施例作进一步说明。
实施例1。
称取1.010 g Fe(NO3)3·9H2O，加入到400 ml浓度为1g/L氧化石墨烯分散液中，然后加入0.3145 g甘氨酸，搅拌超声30分钟后得到均匀分散液，加热浓缩至粘稠状，放入温度为500℃的加热炉内引燃，燃烧完成后，冷却至室温，即得到氧化铁/石墨烯纳米复合材料。
实施例2。
称取0.7218g Ni(NO3)2·6H2O，加入到400ml浓度为1g/L氧化石墨烯分散液中，然后加入0.208g甘氨酸，搅拌超声30分钟后得到均匀分散液，加热浓缩至粘稠状，放入温度为500℃的加热炉内引燃，燃烧完成后，冷却至室温，即得到氧化镍/石墨烯纳米复合纳米材料。
实施例3。
称取0.722g Co(NO3)2·6H2O，加入到400ml浓度为1g/L氧化石墨烯分散液中，然后加入0.208g甘氨酸，搅拌超声30分钟后得到均匀分散液，加热浓缩至粘稠状，放入温度为500℃的加热炉内引燃，燃烧完成后，冷却至室温，即得到四氧化三钴/石墨烯纳米复合纳米材料。

Claims (1)

1.一种过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）根据过渡金属氧化物在石墨烯上的负载量以及目标产物的制备量，称取相应量的过渡金属硝酸盐，将其溶于一定体积的浓度为0.5~5g/L 的氧化石墨烯水分散液中；
（2）在步骤（1）的分散液中加入适量有机燃料，搅拌并超声15~90分钟得到均匀分散液；
（3）将步骤（2）得到的分散液加热浓缩至粘稠，放入温度为300~900℃的加热炉内引燃，燃烧完成后，冷却至室温，即得到最终产物；
步骤（1）中所述的过渡金属为Co、 Ni、 Fe、 Cu、 Zn、 Mn或者Cr的一种或多种；
步骤（1）中所述的过渡金属氧化物在石墨烯上的负载量为质量比20~200%；
步骤（2）中所述的有机燃料为甘氨酸、尿素和乙二醇中的一种或两种，所加有机燃料的摩尔数为反应物中过渡金属硝酸盐摩尔数总和的0.5 ~10倍。
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