CN110327913B - 一种纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

一种纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料及其制备方法与应用。将钨粉和氟化钠混合均匀得到混合粉体A;取H2O2和HNO3混合均匀得混合溶液B;向混合溶液B中加入氧化石墨烯水溶液得混合溶液C;将混合粉体A缓慢加入混合溶液C中得溶液E;将溶液E置于水热反应釜内进行水热反应,冷却,洗涤、收集、烘干,即得到纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料。该核壳结构材料为方形单层薄片状结构,内层核为方形氧化钨纳米片,外层为氧化石墨烯,其中氧化钨单层薄片的厚度为10~30nm,长宽为100~250nm,外层氧化石墨烯的包覆厚度为5~20nm。应用于钠/锂/镁离子电池、超级电容器及光催化领域,表现出了优异的性能。

Description

一种纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料及其制备方 法与应用
技术领域
本发明涉及一种核壳结构纳米片层材料的制备方法,具体涉及一种一种原位合成纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料的制备方法。
背景技术
三氧化钨是稳定的n型半导体材料,被广泛应用于光催化和电化学催化等方面。近年来,随着锂/钠离子电池研究的深入,三氧化钨也被广泛应用在电化学储能方面,主要作为锂/钠离子电池的负极材料被研究。然而,纳米三氧化钨存在电荷转移速率慢、表面反应活性位少以及容易发生光生电子空穴对易复合等缺陷,极大地限制了它的适用领域。氧化石墨烯作为新型二维碳材料,具有大的比表面积,优越的导电性、良好的力学性能以及高的化学和热稳定性,在电化学领域被广泛应用。
近年来,三氧化钨/氧化石墨烯复合材料作为电池负极材料受到了研究者们的广泛研究,但是到目前为止,关于以三氧化钨为核、氧化石墨烯为壳的二维纳米复合材料的报道几乎没有。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单,且反应温度低、反应周期短的原位合成纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料的制备方法,制得的氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料结构单一,纯度高。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
1)将钨粉和氟化钠按10:1~10:3的质量比混合均匀得到混合粉体A;
2)分别取5~15ml质量浓度为30%的H2O2和5~15ml质量浓度为69%的HNO3混合均匀得混合溶液B;
3)向混合溶液B中加入2~6ml质量浓度为0.05%~0.15%的氧化石墨烯水溶液,得混合溶液C;
4)取1~8g混合粉体A缓慢加入混合溶液C中,搅拌待其充分溶解后得溶液E;
5)将溶液E置于水热反应釜内于120~200℃进行水热反应,反应结束后,冷却,洗涤、收集、烘干,即得到纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料。
所述钨粉的尺寸2~3μm。
所述氧化石墨烯为微米级单层氧化石墨烯结构。
所述的搅拌为磁力搅拌或超声分散。
所述溶液E置于水热反应釜内的填充比为35~75%。
所述反应时间为20~35h。
所述洗涤采用无水乙醇离心洗涤3~5次,所述收集为离心收集。
所述烘干温度为50~80℃,时间为12~16h。
由以上制备方法制成的核壳结构材料为方形单层薄片状结构,内层核为方形氧化钨纳米片,外层为氧化石墨烯,其中氧化钨单层薄片的厚度为10~30nm,长宽为100~250nm,外层氧化石墨烯的包覆厚度为5~20nm。
由以上制备方法制成的纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料应用于钠/锂/镁离子电池、超级电容器及光催化领域。
相对于现有技术,本发明至少具有以下有益效果:
本发明采用原位一步合成氧化钨/氧化石墨烯核壳结构纳米粉体,该方法不需要大型设备和苛刻的反应条件,无需形貌控制剂,原料易得,成本低,产率高,无需后期处理,对环境友好,可以适合大规模生产。
且通过该方法制备的氧化钨/氧化石墨烯核壳结构纳米粉体,具有以氧化钨为核、氧化石墨烯为壳的核壳结构。该核壳结构的纳米粉体应用于钠/锂/镁离子电池以及光催化领域,表现出了优异的性能。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料粉体的X-射线衍射(XRD)图谱;
图2和图3为本发明实施例1制备的纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料粉体的扫描电子显微镜(SEM)照片和透射电子显微镜(TEM)照片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1:
1)将2~3μm钨粉和氟化钠按10:1的质量比混合均匀得到混合粉体A;
2)分别取5ml质量浓度为30%的H2O2和5ml质量浓度为69%的HNO3混合均匀得混合溶液B;
3)向混合溶液B中加入2ml质量浓度为0.05%的微米级单层结构的氧化石墨烯水溶液,得混合溶液C;
4)取1g混合粉体A缓慢加入混合溶液C中,磁力搅拌待其充分溶解后得溶液E;
5)按35%的填充比将溶液E置于水热反应釜内于160℃水热反应22h,反应结束后,冷却,采用无水乙醇离心洗涤3次、离心收集、于50℃烘干12h,即得到纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料。
通过该方法原位合成的核壳结构材料为方形单层薄片状结构,内层核为方形氧化钨纳米片,外层为氧化石墨烯,其中氧化钨单层薄片的厚度为10~30nm,长宽为100~250nm,外层氧化石墨烯的包覆厚度为5~20nm。该核壳材料应用于钠/锂/镁离子电池以及光催化领域。尤其是当其应用于钠离子电池时,表现出了优异的电化学性能。
从图1中可以看出,所制备的复合材料为三氧化钨和氧化石墨烯的复合材料。
从图2中可以清楚的看到所制备纳米粉体为大小均匀的单层片状结构,其尺寸为100-200nm,厚度约为20-30nm。
从图3中可以进一步看到,所制备的纳米单层片长宽为100nm左右的氧化钨,外层均匀包覆厚度约为15nm的氧化石墨烯层。进一步证实了所制备的材料为核壳结构。
实施例2:
1)将2~3μm钨粉和氟化钠按10:1.5的质量比混合均匀得到混合粉体A;
2)分别取8ml质量浓度为30%的H2O2和8ml质量浓度为69%的HNO3混合均匀得混合溶液B;
3)向混合溶液B中加入2.5ml质量浓度为0.1%的微米级单层结构的氧化石墨烯水溶液,得混合溶液C;
4)取2.5g混合粉体A缓慢加入混合溶液C中,超声分散待其充分溶解后得溶液E;
5)按75%的填充比将溶液E置于水热反应釜内于180℃水热反应24h,反应结束后,冷却,采用无水乙醇离心洗涤3次、离心收集、于60℃烘干14h,即得到纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料。
实施例3:
1)将2~3μm钨粉和氟化钠按10:3的质量比混合均匀得到混合粉体A;
2)分别取10ml质量浓度为30%的H2O2和10ml质量浓度为69%的HNO3混合均匀得混合溶液B;
3)向混合溶液B中加入4ml质量浓度为0.13%的微米级单层结构的氧化石墨烯水溶液,得混合溶液C;
4)取5.2g混合粉体A缓慢加入混合溶液C中,磁力搅拌待其充分溶解后得溶液E;
5)按35%的填充比将溶液E置于水热反应釜内于160℃水热反应30h,反应结束后,冷却,采用无水乙醇离心洗涤5次、离心收集、于80℃烘干16h,即得到纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料。
实施41:
1)将2~3μm钨粉和氟化钠按10:2的质量比混合均匀得到混合粉体A;
2)分别取15ml质量浓度为30%的H2O2和12ml质量浓度为69%的HNO3混合均匀得混合溶液B;
3)向混合溶液B中加入5ml质量浓度为0.08%的微米级单层结构的氧化石墨烯水溶液,得混合溶液C;
4)取8g混合粉体A缓慢加入混合溶液C中,超声分散待其充分溶解后得溶液E;
5)按50%的填充比将溶液E置于水热反应釜内于120℃水热反应35h,反应结束后,冷却,采用无水乙醇离心洗涤4次、离心收集、于70℃烘干13h,即得到纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料。
实施例5:
1)将2~3μm钨粉和氟化钠按10:2.5的质量比混合均匀得到混合粉体A;
2)分别取12ml质量浓度为30%的H2O2和15ml质量浓度为69%的HNO3混合均匀得混合溶液B;
3)向混合溶液B中加入6ml质量浓度为0.15%的微米级单层结构的氧化石墨烯水溶液,得混合溶液C;
4)取6g混合粉体A缓慢加入混合溶液C中,超声分散待其充分溶解后得溶液E;
5)按60%的填充比将溶液E置于水热反应釜内于200℃水热反应20h,反应结束后,冷却,采用无水乙醇离心洗涤5次、离心收集、于80℃烘干12h,即得到纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料。
相对于现有技术,本发明至少具有以下有益效果:
本发明采用原位一步合成氧化钨/氧化石墨烯核壳结构纳米粉体,该方法不需要大型设备和苛刻的反应条件,无需形貌控制剂,原料易得,成本低,产率高,无需后期处理,对环境友好,可以适合大规模生产。
且通过该方法制备的氧化钨/氧化石墨烯核壳结构纳米粉体,具有以氧化钨为核、氧化石墨烯为壳的核壳结构。该核壳结构的纳米粉体应用于钠/锂/镁离子电池以及光催化领域,表现出了优异的性能。

Claims (10)

1.一种纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料的制备方法,其特征在于:
1)将钨粉和氟化钠按10:1~10:3 的质量比混合均匀得到混合粉体A;
2)分别取5~15ml 质量浓度为30%的H2O2和5~15ml 质量浓度为69%的HNO3混合均匀得混合溶液B;
3)向混合溶液B 中加入2~6ml 质量浓度为0.05%~0.15%的氧化石墨烯水溶液,得混合溶液C;
4)取1~8g 混合粉体A 缓慢加入混合溶液C 中,搅拌待其充分溶解后得溶液E;
5)将溶液E 置于水热反应釜内于120~200℃进行水热反应,反应结束后,冷却,洗涤、收集、烘干,即得到纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料;
核壳结构材料为方形单层薄片状结构,内层核为方形氧化钨纳米片,外层为氧化石墨烯,其中氧化钨单层薄片的厚度为10~30nm,长宽为100~250nm,外层氧化石墨烯的包覆厚度为5~20nm。
2.根据权利要求1 所述的纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料的制备方法,其特征在于:所述钨粉的尺寸2~3μm。
3.根据权利要求1 所述的纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料的制备方法,其特征在于:所述氧化石墨烯为微米级单层氧化石墨烯结构。
4.根据权利要求1 所述的纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料的制备方法,其特征在于:所述的搅拌为磁力搅拌。
5.根据权利要求1 所述的纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料的制备方法,其特征在于:所述溶液E 置于水热反应釜内的填充比为35~75%。
6.根据权利要求1 所述的纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料的制备方法,其特征在于:所述反应时间为20~35h。
7.根据权利要求1 所述的纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料的制备方法,其特征在于:所述洗涤采用无水乙醇离心洗涤3~5 次,所述收集为离心收集。
8.根据权利要求1 所述的纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料的制备方法,其特征在于:所述烘干温度为50~80℃,时间为12~16h。
9.一种如权利要求 1 所述的制备方法制得的纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料,其特征在于:该核壳结构材料为方形单层薄片状结构,内层核为方形氧化钨纳米片,外层为氧化石墨烯,其中氧化钨单层薄片的厚度为10~30nm,长宽为100~250nm,外层氧化石墨烯的包覆厚度为5~20nm。
10.一种如权利要求1 所述的制备方法制得的纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料,其特征在于:该纳米片状氧化钨/氧化石墨烯核壳结构材料应用于超级电容器或光催化领域。
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