[发明专利]四氧化三钴纳米带@氮掺杂石墨烯杂化材料的制备方法

说明书

一种四氧化三钴纳米带@氮掺杂石墨烯杂化材料的制备方法。以六水合硝酸钴、尿素和氧化石墨烯为原料，采用溶剂热法制得前驱体材料。制备过程中同步实现碱式碳酸钴纳米带前驱体在氧化石墨烯表面的原位生长、氧化石墨烯的氮掺杂和部分还原。前驱体材料经热处理后，制备出四氧化三钴纳米带@氮掺杂石墨烯杂化材料。该材料兼具四氧化三钴的高能量密度、氮掺杂石墨烯的高导电性及杂化材料的原位复合等特性，最大程度地发挥各因素的协同效应提升杂化材料的储锂性能。在100mA/g电流密度下杂化材料的比容量为1249mAh/g，经100次循环后，仍能保持1221mAh/g的比容量。在5A/g大电流密度下，比容量仍可达500mAh/g。本发明材料具有优异的电化学性能，在储锂方面具有广阔应用前景。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种高储锂性能的四氧化三钴纳米带@氮掺杂石墨烯杂化材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池体系中负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一。四氧化三钴因具有较高的理论容量而被认为是理想的负极材料之一。但是四氧化三钴电极材料仍存在很多问题，如导电性差、库伦效率较低、充放电循环过程中体积收缩膨胀导致结构破坏等。针对四氧化三钴材料所存在的问题，目前的研究主要包括结构调控和复合炭材料等。据文献报道[RSC Adv.2015,5(121):99899；New J.Chem.2017,41(24):15283]，在各种纳米结构中四氧化三钴二维结构被认为比其他纳米结构具有更加优异的电化学性能。二维纳米结构，尤其纳米带状结构，其独特的结构及维度受限能够显著缩短锂离子扩散和电子传导路径，提供较多的电解液接触面和丰富的化学活性位点，从而提升材料的电化学性能[Chem.Eur.J.2016,22(50):18060]。另一方面由于四氧化三钴自身导电性差，无法满足实际应用需求，为解决这一问题，目前最有效的方法是将四氧化三钴与石墨烯等炭材料复合。四氧化三钴@石墨烯复合电极材料最早被成会明院士团队所报道[ACS Nano 2010,4(6):3187]。随后科研工作者对其进行了深入、系统的研究，研究结果证实石墨烯的添加显著提升了四氧化三钴电极材料的电化学性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对四氧化三钴作为锂离子电池负极材料所存在的导电性差和循环过程中体积膨胀导致结构破坏的问题，提供了一种具有特殊结构的四氧化三钴@石墨烯杂化材料及其制备方法，即采用特定实验步骤和实验参数的溶剂热法及其后续热处理过程制备出具有均匀结构的四氧化三钴纳米带@氮掺杂石墨烯杂化材料，以满足锂离子电池，尤其动力电池对四氧化三钴电极材料的性能要求。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种四氧化三钴纳米带@氮掺杂石墨烯杂化材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

(1)称取一定量的氧化石墨烯在超声条件下分散于去离子水和乙二醇混合溶剂中，经超声分散后，加入称取的六水合硝酸钴，经充分溶解后，再加入称取的尿素，制得混合溶液；

(2)将(1)中的混合溶液转移至水热釜中，并在设定温度下反应至设定时间后，自然冷却至室温，经洗涤、干燥后得到前驱体材料；

(3)将(2)中得到的前驱体材料在惰性气体保护下，先在预处理温度下反应一定时间后，再将热处理温度提升至高温区，反应至设定时间后，自然冷却至室温，制得四氧化三钴纳米带@氮掺杂石墨烯杂化材料。

进一步地，所述步骤(1)中所用的去离子水和乙二醇混合溶液两者的体积比为1:0.2～0.7。

进一步地，所述步骤(1)氧化石墨烯和六水合硝酸钴的质量比为：0.25～0.5:1；六水合硝酸钴和尿素的摩尔比为：1:3～8；氧化石墨烯的分散、六水合硝酸钴及尿素的溶解是在50-80℃下进行。