[发明专利]一种石墨烯包覆介孔结构金属氧化物及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及纳米复合材料和电极材料领域，具体地说，是涉及一种石墨烯包覆介孔结构金属氧化物及其制备方法和用途。

背景技术

锂离子电池由于具有高储存能量密度、容量大、无记忆效应、额定电压高、自放电率低、重量轻、使用寿命长、高低温适应性强、绿色环保等优点，被广泛应用到人们的日常生活中，尤其许多数码设备都采用锂离子电池做电源。一些金属氧化物由于具有较高的理论容量，可作为锂离子电池材料，例如Co₃O₄理论比容量为890mA·h/g。但Co₃O₄本身导电性差，充放电速率低，由于本身是通过氧化还原的方式存储和释放锂离子，因此循环性能差，影响了其作为锂离子电池电极材料的应用，其它金属氧化物也具有类似的问题。介孔材料由于具有较大的比表面积、较大的孔容积和规则的孔道结构，在催化、气体吸附和分离、电化学、气体感应等方面具有广泛的应用前景。介孔金属氧化物作为锂离子电极材料，可以进一步提升其充放电容量，例如，介孔Co₃O₄的首次充放电容量相比块体材料高出约200mA·h/g，相比纳米材料也高出约100mA·h/g(K.M.Shaju，F.Jiao，A.Debart and P.G.Bruce，Phys.Chem.Chem.Phys.，2007，9，1837)。但由于自身的组成没有改变，介孔Co₃O₄仍然具有充放电速率低，循环性能差等问题。石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是目前已知导电性能最好的材料之一。因此，可通过水热等合成法在石墨烯表面原位生长金属氧化物，该复合材料的电化学性能要优于纯金属氧化物。例如，石墨烯与Co₃O₄(或CoO)的复合材料展现出较好的循环性能，100次循环后电容量没有较大的衰减(J.X.Zhu，Y.K.Sharma，Z.Y.Zeng，X.J.Zhang，M.Srinivasan，S.Mhaisalkar，H.Zhang，H.H.Hngand Q.Y.Yan，J.Phys.Chem.C，2011，115，8400)。石墨烯优异的导电性能提升了金属氧化物电极材料的电导率，进而改善其充放电性能。同时石墨烯的二维层状结构又能有效抑制电极材料在充放电过程中因体积变化引起的材料粉化。然而，目前还未见负载石墨烯的介孔金属氧化物的报道。介孔金属氧化物相比块体和纳米材料具有更好的充放电容量，如果石墨烯可以改善介孔金属氧化物较差的导电性和循环性能，则可以进一步提高其作为锂离子电极材料的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯包覆的介孔结构金属氧化物及其制备方法，为现有锂电池电极材料添加一类新产品和填补异质凝絮法制备石墨烯包覆介孔金属氧化物复合材料的空白。

本发明所公开的石墨烯包覆介孔结构金属氧化物，其特征在于：制备的石墨烯尺寸在1μm×1μm～5μm×5μm范围内，被包覆的介孔金属氧化物比表面积为80～150m²/g，孔径为2～6nm，孔容为0.1～0.6cm³/g。

上述石墨烯包覆介孔结构金属氧化物的制备方法，包括如下步骤：

1)制备不同孔道结构的介孔二氧化硅模板，如二维六方(p6m)的SBA-15、三维立方(Ia-3d)的KIT-6、三维立方(Fm-3m)的FDU-12和(Im-3m)SBA-16等；

2)制备不同孔道结构的金属氧化物，金属氧化物的种类包括所有可以通过介孔二氧化硅为模板制备的金属氧化物，如Co₃O₄，MnO₂，Fe₂O₃，TiO₂，SnO₂等；

3)制备氧化石墨烯，制备方法包括所有制备氧化石墨烯的方法，如Hummers法，Brodie法，Staudenmaier法等；

4)将0.01～0.1g氧化石墨烯加入到100mL水中配成一定浓度的氧化石墨烯溶液，将0.1～1g介孔金属氧化物加入到100mL水中配成悬浮液；

5)用稀碱调节氧化石墨烯溶液的pH值在7～12范围内，用稀酸调节介孔金属氧化物悬浮液的pH值在2～7范围内；

6)将pH值调节后的氧化石墨烯溶液滴加到pH值调节后的介孔金属氧化物悬浮液中，在搅拌条件下进行混合，氧化石墨烯和介孔金属氧化物的质量比为1∶5～1∶20；