[发明专利]负载锐钛矿型纳米二氧化钛的石墨烯制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种负载锐钛矿型二氧化钛的石墨烯的制备方法及其应用，属于电化学电源领域。

背景技术

石墨烯是近年发现的二维碳原子晶体，是一种单层或多层极薄的石墨材料，它是目前碳质材料和凝聚态物理领域的研究热点之一。石墨烯是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨Sp²杂化碳的基本机构单元。石墨烯具有很多奇特的性质。石墨烯是一种没有能隙的物质，显示金属性；单层的石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的电子，因此具有非常好的导电性；石墨烯中的空穴和电子相互分离，导致了新的电子传导现象的产生，例如不规则的量子霍尔效应。石墨烯具有非常广阔的应用前景，它的奇特性质提供了良好的物理实验平台还是制造纳米电子器件——高频晶体管和但电子晶体管的最佳材料，在显微滤网和超导方面也有很广阔的应用前景。此外，石墨烯也显示良好的电化学活性，是性能优异的储能材料，作为镍氢电池的负极材料具有巨大的应用空间。

二氧化钛是一种高产率，低成本，环境友好的材料；在电化学充放电过程中，二氧化钛可以保持稳定的结构，且锐钛矿型纳米二氧化钛具有良好的光催化效应。由于纳米结构和导电涂层效应，二氧化钛在大规模的储能研究中具有广泛的应用前景。

有关文献报道[Self-Assembled TiO2-Graphene Hybrid Nanostructures for Enhanced Li-Ion Insertion]，采用自组装方法制备纳米二氧化钛负载的石墨烯复合材料，用于锂离子电池效率的研究，该文献中采用的石墨烯为迅速升温膨胀所得，所得石墨烯悬浮液稳定性差，不利于纳米二氧化钛在石墨烯片层上均匀分散，为了达到分散的目的而又采用阴离子硫酸表面活性剂对石墨烯的水溶液进行稳定化，提高了制备成本，污染环境。

发明内容

本发明目的在于提供一种负载锐钛矿型纳米二氧化钛的石墨烯的制备方法及其应用，所述的制备方法过程简单，所制的负载锐钛矿型二氧化钛的石墨烯作为镍氢二次电池负极材料具有极高的电化学容量。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种负载锐钛矿型纳米二氧化钛的石墨烯的制备方法，其特征在于包括以下过程：

(1)制备氧化石墨：按每克天然鳞片石墨用质量浓度98％的H₂SO₄为30-40ml的比例，将天然鳞片石墨加入到H₂SO₄中，在冰水浴中搅拌下，按高锰酸钾与天然鳞片石墨的质量比为5∶1，再加入KMnO₄，反应0.5-2h，然后，将混合物转移到温度30-40℃的水浴中，继续搅拌30～60min，再升温至温度50-70℃，搅拌0.5-2h，按每克天然鳞片石墨用去离子水80-120mL、用质量浓度30％的双氧水10-20mL比例，持续搅拌下，依次加入去离子水和双氧水反应10-20min，反应产物经离心分离，滤饼依次用质量浓度2-10％的盐酸和去离子水洗涤至无硫酸根离子，再在真空干燥箱中于温度50-80℃干燥24-48h得到氧化石墨；

(2)制备石墨烯：将步骤(1)制的氧化石墨分散在去离子水中配制浓度0.5-1mg/ml溶液，超声剥离2-5h，得到氧化石墨烯溶液；向氧化石墨烯溶液中加入十二烷基苯磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠的质量与氧化石墨的质量比为1∶(1-3)，再向氧化石墨烯溶液中加入质量浓度为85％的水合肼，该水合肼溶液的体积用量按每克氧化石墨1-10ml计，在温度70-80℃水浴回流24-48h后，反应产物用去离子水洗涤至pH为7，将得到的石墨烯加入到无水乙醇中，配成浓度为0.5-1mg/ml的石墨烯的乙醇溶液；

(3)制备氢氧化钛胶体溶液：将钛酸四丁酯滴入无水乙醇中配制成体积浓度为1-3％的溶液为底液，在搅拌下向底液中滴加混合液，所述的混合液由质量浓度为36.5％的盐酸、无水乙醇和去离子水按体积量分别为钛酸四丁酯体积量的3～4倍、1.5～1.8倍和1.5～1.8倍组成，混合液滴加完毕后得到氢氧化钛胶体溶液；

(4)将步骤(2)制得的石墨烯的乙醇溶液与步骤(3)制得到的氢氧化钛胶体溶液按体积比(10-50)∶1的比例混合，搅拌30min-60min，静置12-24h后在干燥箱中于温度60℃-80℃蒸干，将得到的粉末研磨后放入管式炉中，以100ml/min的流量通入氩气，在氩气气氛中，按10℃/min的升温速率升温至温度300℃-500℃煅烧2h-3h，得到负载锐钛矿型纳米二氧化钛的石墨烯。