一種過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合材料的制備方法
【專利摘要】一種過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合材料的制備方法，包括以下步驟：（1）根據過渡金屬氧化物在石墨烯上的負載量以及目標產物的制備量，稱取過渡金屬硝酸鹽，將其溶于氧化石墨烯水分散液中；（2）在步驟（1）的分散液中加入適量有機燃料，攪拌并超聲得到均勻分散液；（3）將步驟（2）得到的分散液加熱濃縮至粘稠，放入溫度為300~900℃的加熱爐內引燃，燃燒完成后，冷卻至室溫，即得到最終產物。本發明合成溫度低、時間短，實施簡單且成本低廉，過渡金屬氧化物粒徑小，大小均勻，在石墨烯上分散性均勻，適于工業化生產。
【專利說明】
一種過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合材料的制備方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于材料合成技術領域，涉及碳基納米復合材料制備的制備方法。
技術背景
[0002]石墨烯基作為鋰電池負極材料具有比石墨類材料更優異的導電性，更高的比表面積，更好的化學穩定性，以及較寬的電化學窗口，其作為鋰離子二次電池負極材料具有巨大的潛力。但是純石墨烯在使用物理法制備時成本高昂，使用還原氧化石墨法制備過程中容易再次堆垛，對鋰離子完全嵌入/脫出十分不利。因此，石墨烯作為電池負極材料時通常加入其它無機材料，以提高其容量性質。過渡金屬Co、Fe、Ni等的氧化物對鋰離子具有較強的活性，具有較高的可逆容量，因而可以作為鋰離子電池負極材料。然而在充放電的過程中，過渡金屬氧化物電極會出現巨大的體積變化，進而導致電極粉碎，電極容量迅速的衰減。為了克服這一障礙，具有高電導率和較好延展性的碳質材料被用來作為過渡金屬氧化物的基質，來提高電極的循環性能。相對于石墨、碳黑、碳納米管、富勒稀等碳質材料，石墨稀能夠更有效的緩沖電極在充放電過程中因體積變化出現的應力，并能保持整個電極高的電導率。因此石墨烯負載過渡金屬氧化物作為鋰電池負極材料可以實現石墨烯與過渡金屬氧化物優勢互補，實現協同增強效應:提高可以較好的抑制充放電過程中出現的過渡金屬氧化物顆粒的團聚;較好的調節充放電過程中出現的體積變化;可以使過渡金屬氧化物在復合材料中的重量比達到很高的值;保持整個電極具有高的電導率;最終實現對鋰電池倍率放電和循環性能的改進。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提出一種過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合材料的制備方法，以解決過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合材料傳統制備方法存在的耗時長、純度低、粒度較大、產物穩定性差，收率低，不利于商業化合成等問題，該方法能耗低、耗時短、易于操作、對環境無污染。
[0004]本發明所述的一種過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合材料的制備方法，包括以下步驟。
[0005](I)根據過渡金屬氧化物在石墨烯上的負載量以及目標產物的制備量，稱取相應量的過渡金屬硝酸鹽，將其溶于一定體積的濃度為0.5?5g/L的氧化石墨烯水分散液中。
[0006](2 )在步驟(I)的分散液中加入適量有機燃料，攪拌并超聲15?90分鐘得到均勻分散液。
[0007](3)將步驟(2)得到的分散液加熱濃縮至粘稠，放入溫度為300?900°C的加熱爐內引燃，燃燒完成后，冷卻至室溫，即得到最終產物。
[0008]本發明所述制備方法的步驟(I)中，所述的過渡金屬為Co、N1、Fe、Cu、Zn、Mn或者Cr的一種或多種。
[0009]本發明所述制備方法的步驟(I)中，所述的過渡金屬氧化物在石墨烯上的負載量為20?200%(質量比)。
[0010]本發明所述制備方法的步驟(2)中，所述的有機燃料為甘氨酸、尿素和乙二醇中的一種或兩種，所加有機燃料的摩爾數為反應物中過渡金屬硝酸鹽摩爾數總和的0.5?10倍。
[0011]本發明制備過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合材料的方法是將過渡金屬硝酸鹽、氧化石墨烯溶液、有機燃料混合超聲振蕩得到均勻混合溶液，然后加熱混合溶液至粘稠狀，放入溫度為300?900 °C的加熱爐腔內引燃，燃燒完成后，取出粉體得到最終產物。本發明合成溫度低、時間短，實施簡單且成本低廉，無需額外添加還原劑便可實現氧化石墨烯高溫自還原得到高質量石墨烯，過渡金屬氧化物粒徑小，大小均勻，在石墨烯上分散性均勻，是一種快速、高產率、適于工業化生產過渡金屬氧化物/石墨稀納米復合材料的制備新方法。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明實施例1樣品的XRD圖譜，如圖所示，這些已指標化的衍射峰與JCPDS卡號為39-1346的Fe2O3的特征衍射峰吻合，在2Θ為20?30°的區域有一個很弱的衍射峰，對應的是石墨烯的特征衍射峰，以上表明產物為氧化鐵/石墨烯復合材料。
[0013]圖2是本發明實施例1樣品的透射電鏡照片，Fe2O3的納米粒子均分布在石墨烯上，Fe203粒子的平均粒徑約為6 nm。
[0014]圖3是本發明實施例2樣品的XRD圖譜，如圖所示，這些已指標化的衍射峰與JCPDS卡號為47-1049的N1的特征衍射峰吻合，其，在2Θ為20?30°的區域有一個很弱的衍射峰，對應的是石墨烯的特征衍射峰，以上表明產物為氧化鎳/石墨烯納米復合材料。
[0015]圖4是本發明實施例2樣品的透射電鏡照片，N1的納米粒子均分布在石墨烯上，N1粒子的平均粒徑約為20 nm。
[0016]圖5是本發明實施例3樣品的XRD圖譜，如圖所示，這些已指標化的衍射峰與JCPDS卡號為43-1003的Co3O4的特征衍射峰吻合，在2Θ為20?30°的區域有一個很弱的衍射峰，對應的是石墨烯的特征衍射峰，以上表明產物為產物為四氧化三鈷/石墨烯復合材料。
[0017]圖6是本發明實施例3樣品的透射電鏡照片，Co3O4的納米粒子均分布在石墨烯上，(:0304粒子的平均粒徑約為15 nm。
【具體實施方式】
[0018]本發明將通過以下實施例作進一步說明。
[0019]實施例1。
[0020]稱取1.010 g Fe(NO3)3.9H20，加入到400 ml濃度為lg/L氧化石墨烯分散液中，然后加入0.3145 g甘氨酸，攪拌超聲30分鐘后得到均勻分散液，加熱濃縮至粘稠狀，放入溫度為500°C的加熱爐內引燃，燃燒完成后，冷卻至室溫，即得到氧化鐵/石墨烯納米復合材料。
[0021]實施例2。
[0022]稱取0.7218g Ni(NO3)2.6H20，加入到400ml濃度為lg/L氧化石墨烯分散液中，然后加入0.208g甘氨酸，攪拌超聲30分鐘后得到均勻分散液，加熱濃縮至粘稠狀，放入溫度為500°C的加熱爐內引燃，燃燒完成后，冷卻至室溫，即得到氧化鎳/石墨烯納米復合納米材料。
[0023]實施例3。
[0024]稱取0.722g Co(NO3)2.6H20，加入到400ml濃度為lg/L氧化石墨烯分散液中，然后加入0.208g甘氨酸，攪拌超聲30分鐘后得到均勻分散液，加熱濃縮至粘稠狀，放入溫度為500°C的加熱爐內引燃，燃燒完成后，冷卻至室溫，即得到四氧化三鈷/石墨烯納米復合納米材料。
【主權項】
1.一種過渡金屬氧化物/石墨稀納米復合材料的制備方法，其特征是包括以下步驟: (I)根據過渡金屬氧化物在石墨烯上的負載量以及目標產物的制備量，稱取相應量的過渡金屬硝酸鹽，將其溶于一定體積的濃度為0.5?5g/L的氧化石墨稀水分散液中；(2 )在步驟(I)的分散液中加入適量有機燃料，攪拌并超聲15?90分鐘得到均勻分散液； (3)將步驟(2)得到的分散液加熱濃縮至粘稠，放入溫度為300?900°C的加熱爐內引燃，燃燒完成后，冷卻至室溫，即得到最終產物； 步驟(I)中所述的過渡金屬為Co、N1、Fe、Cu、Zn、Mn或者Cr的一種或多種； 步驟(I)中所述的過渡金屬氧化物在石墨稀上的負載量為質量比20?200%; 步驟(2)中所述的有機燃料為甘氨酸、尿素和乙二醇中的一種或兩種，所加有機燃料的摩爾數為反應物中過渡金屬硝酸鹽摩爾數總和的0.5?10倍。
【文檔編號】H01M4/50GK106058233SQ201610670704
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月16日 公開號201610670704.9, CN 106058233 A, CN 106058233A, CN 201610670704, CN-A-106058233, CN106058233 A, CN106058233A, CN201610670704, CN201610670704.9
【發明人】陳偉凡, 周文威, 許云鵬, 卓明鵬, 郭蘭玉, 張文星
【申請人】南昌大學