[发明专利]石墨烯基碳包覆ZIF-67衍生氧化钴复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种石墨烯基碳包覆ZIF‑67衍生氧化钴复合材料及其制备方法和应用，该制备方法该方法以二维结构的氧化石墨烯作为基底材料，通过高温碳化得到ZIF‑67衍生氧化钴，然后将得到的ZIF‑67衍生氧化钴、氧化石墨烯和碳源水热混合后冻干得到复合材料，即为目标产物。与现有技术相比，本发明得到的碳包覆Co₃O₄均匀地分散在石墨烯的片层上，具有工艺简单，条件温和，成本低廉等优点；本发明所制备的石墨烯基碳包覆ZIF‑67衍生氧化钴复合材料作为锂离子电池负极显示了优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于材料科学和电化学技术领域，尤其是涉及一种石墨烯基碳包覆ZIF-67衍生氧化钴复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

可充电锂离子电池(LIBs)具有能量密度高、维护费用低、自放电低等优点，是目前最有发展前途的电化学储能电池技术之一。然而，在经典的商业锂电池中，石墨碳是最受欢迎的阳极材料，其理论比容量仅为372mA h g^-1，开发高能量密度的新电极材料已成为满足日益增长的高性能需求的重要途径

锂离子电池由正负极材料、电解质、隔膜等四个最重要的部分组成。锂离子电池负极材料均是一些地球储量少的过渡态金属基无机材料(如钴、镍、锰等)，这类材料负极材料原料贵、导电性差、容量低是锂离子电池发展的主要瓶颈之一。沸石咪唑酯骨架(ZIF)作为金属有机框架(MOFs)中的一员，因具有极大的比表面积、丰富的微孔结构以及众多的氧化还原反应位点，被认为是在电化学储能领域具有极大潜力的材料.但ZIF面临最大的问题是较低的电导率和离子传输效率.目前研究最多的是将ZIF作为模板，通过高温碳化处理得到金属氧化物或多孔碳材料，并将其热转化为Co₃O₄纳米结构，显示出超高的高比容量。但是，高温处理很有可能导致材料本身的多孔结构被破坏，且成本增加。然而，新兴的高容量氧化物和硫化物电极的循环稳定性仍然是一个问题，锂化过程伴随着大量的体积变化，导致薄膜开裂，电完整性恶化，容量逐渐衰减，寿命缩短。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种石墨烯基碳包覆ZIF-67衍生氧化钴复合材料及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明一方面提供一种石墨烯基碳包覆ZIF-67衍生氧化钴复合材料的制备方法，该方法以二维结构的氧化石墨烯作为基底材料，通过高温碳化得到ZIF-67衍生氧化钴，然后将得到的ZIF-67衍生氧化钴、氧化石墨烯和碳源水热混合后冻干得到复合材料，即为所述的石墨烯基碳包覆ZIF-67衍生氧化钴复合材料。

优选地，该方法包括以下步骤：

(1)将2-甲基咪唑加入到甲醇中搅拌均匀得到A溶液，将硝酸钴加入到甲醇中搅拌均匀得到B溶液，然后将B溶液缓慢加入到A溶液中，搅拌均匀后陈化；

(2)陈化后离心得到沉淀，并接着用甲醇洗涤多次清洗后得到的沉淀除去水分；

(3)除去水分后在氮气氛围中煅烧得到ZIF-67衍生氧化钴(Co₃O₄)；

(4)将ZIF-67衍生氧化钴加入到石墨烯溶液中超声均匀，并加入碳源，用水热法进行混合，冻干，得到所述的石墨烯基碳包覆ZIF-67衍生氧化钴复合材料。

优选地，步骤(1)中，2-甲基咪唑与硝酸钴的物质的量之比为2～3:1。进一步优选2-甲基咪唑与硝酸钴的物质的量之比为2.5:1。

优选地，步骤(1)中，B溶液缓慢加入到A溶液的过程中，混合物将逐渐变为深紫红色。

优选地，步骤(1)中，陈化时间为24-72h。进一步优选陈化时间为48h。