[发明专利]一种三明治结构石墨烯基金属或金属氧化物的快速制备方法

说明书

本发明涉及一种三明治结构石墨烯基金属或金属氧化物的快速制备方法。所述三明治结构石墨烯基金属或金属氧化物的制备方法包括以下步骤：分别制备氧化石墨烯和金属氨基络合物溶液；将金属氨基络合物溶液滴加到石墨烯溶液中，产生沉淀；收集沉淀，在惰性气体保护下高温加热；得到具有三明治结构的石墨烯基金属或金属氧化物。该方法制备的石墨烯基金属或金属氧化物复合物具有以下优势：制备方法简单快速，可以大量制备石墨烯基金属或金属氧化物复合物，复合物具有三明治结构，金属或金属氧化物颗粒具有纳米尺寸，金属或金属氧化物颗粒高度分散于石墨烯层间。因此，该复合物具有优异的电化学性能，可用作锂电池和超级电容器的电极材料。

技术领域

本发明涉及一种新型的电池电极材料的快速制备方法，具体地说，是涉及一种具有三明治结构的石墨烯基金属或金属氧化物的快速制备方法及应用。

背景技术

锂离子电池具有储存能量密度高、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，如手机和笔记本电脑的电池。一些金属氧化物，如Co₃O₄，NiO，Fe₃O₄，ZnO等，具有较高的理论容量(700～1000mAh/g)，且储量丰富，容易制备，有望作为锂离子电池的电极材料。然而，金属氧化物本身导电性差，电子迁移速度慢，同时在充放电过程中会有较大的体积形变，导致电池材料的破裂，因此其循环性能和倍率性能较差。通过制备碳复合材料，利用碳载体抑制金属氧化物的体积形变，同时提高复合物的导电性，可以提高复合物的电化学性能。石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，具有较大的比表面积，较高的机械强度和良好的导热导电性能。因此，相比其他的碳载体，石墨烯负载的金属氧化物具有更优秀的电化学性能。而具有三明治结构的石墨烯基金属氧化物，由于纳米颗粒均匀的分布在石墨烯的层间，在保持复合物高导电性的同时，石墨烯层可以抑制金属氧化物的体积形变，并保护金属氧化物颗粒，防止其流失及破裂，有利于复合物电化学性能的提升(J.Mater.Chem.A2013，1，6928-6933；ACS Appl.Mater.Interfaces 2015，7，9709-9715)。然而，目前三明治结构石墨烯基金属氧化物的制备方法通常需要先得到金属氧化物纳米颗粒，再通过表面修饰的方法，使其与氧化石墨烯纳米片自组装，得到三明治结构。制备方法繁琐，且金属氧化物纳米颗粒不易制备及保存(容易团聚)。因此，希望设计一种新的制备方法，可以快速并大量的制备三明治结构石墨烯基金属或金属氧化物复合物，有望作为高性能的锂离子电池或超级电容器的电极材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三明治结构石墨烯基金属或金属氧化物的快速制备方法，可用作锂离子电池和超级电容器的电极材料。

本发明所公开的三明治结构石墨烯基金属或金属氧化物复合物，其特征包括：复合物具有三明治结构，复合物的长在2～10μm范围内，宽在2～10μm范围内，高在1～5μm范围内，金属或金属氧化物颗粒直径在2～50nm范围内，金属或金属氧化物颗粒固定在自组装的石墨烯层间，金属或金属氧化物的负载量在5～90wt％范围内。

上述三明治结构石墨烯基金属或金属氧化物的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备氧化石墨烯

将浓硫酸和硝酸钠混合，冰浴冷却至0℃，加入石墨；混合4～5小时后，慢慢加入高锰酸钾；35℃反应2小时，加入去离子水稀释，98℃搅拌15分钟，加入去离子水稀释，并加入双氧水；过滤，用5％的稀盐酸洗涤，再用去离子水洗涤至中性，得到氧化石墨；将氧化石墨在水中超声，得到氧化石墨烯溶液。

(2)制备金属氨基络合物溶液

称取0.01～0.1mol的金属氯化物，溶入100mL的去离子水中，加入10～50mL的氨水，配成相应的金属氨基络合物溶液。

(3)制备三明治结构的氧化石墨烯基金属氨基络合物