[發明專利]一種負載納米硅顆粒的石墨烯復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201010611320.2
• 申請日: 2010-12-29
• 公開（公告）號: CN102544445A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 周明杰;鐘玲瓏;王要兵
• 申請（專利權）人: 海洋王照明科技股份有限公司;深圳市海洋王照明技術有限公司
• 主分類號: H01M4/1393
• 分類號: H01M4/1393
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 何平

技術領域

本發明涉及電化學能源領域，尤其涉及一種負載納米硅顆粒的石墨烯復合材料的制備方法。

背景技術

英國曼徹斯特大學的安德烈·K·海姆(Andre?K.Geim)等在2004年制備出石墨烯材料，由于其獨特的結構和光電性質受到了人們廣泛的重視。單層石墨由于其大的比表面積，優良的導電、導熱性能和低的熱膨脹系數而被認為是理想的材料。如：1，高強度，楊氏摩爾量，(1,100GPa)，斷裂強度：(125GPa)；2，高熱導率，(5,000W/mK)；3，高導電性、載流子傳輸率，(200,000cm²/V*s)；4，高的比表面積，(理論計算值：2,630m²/g)。尤其是其高導電性質，大的比表面性質和其單分子層二維的納米尺度的結構性質，可在超級電容器和鋰離子電池中用作電極材料。到目前為止，所知道的制備石墨烯的方法有多種，如：(1)微機械剝離法。這種方法只能產生數量極為有限石墨烯片，可作為基礎研究；(2)超高真空石墨烯外延生長法。這種方法的高成本以及小圓片的結構限制了其應用；(3)化學氣相沉積法(CVD)。此方法可以滿足規模化制備高質量石墨烯的要求，但成本較高，工藝復雜。(4)溶劑剝離法。此方法缺點是產率很低，限制它的商業應用；(5)氧化-還原法。此方法是最簡單可大量獲得石墨烯的一種普遍方法，整個過程涉及到將石墨氧化成氧化石墨，氧化石墨剝落產生的石墨烯氧化物，再通過化學試劑或熱還原為石墨烯。此方法合成的石墨烯最終氧含量較高，純度不夠；氧原子的存在對于石墨烯用作電極材料的電壓有一定的影響。

發明內容

基于上述問題，本發明提供一種負載納米硅顆粒的石墨烯復合材料的制備方法，包括如下步驟：

1、制備硅納米顆粒；

2、根據Hummers法，將石墨，如石墨片進行氧化反應，制得氧化石墨；

3、將上述制得的氧化石墨加入水中，超聲分散后，形成以單片層均勻分散的氧化石墨烯溶液；

4、將納米硅顆粒加入到上述氧化石墨烯溶液中，室溫攪拌1～24h，得到均勻分散的混合溶液；其中所述納米硅顆粒與石墨烯的質量比為1∶1～20；

5、將上述混合溶液在真空干燥箱中以80～120℃干燥1～24h，真空干燥除去溶劑，得到干燥的粉末，將該粉末放入通有惰性氣體的管式爐中以10℃/min緩慢速度升溫至300～800℃加熱1～12h，隨后將所述粉末冷卻至室溫；接著向管式爐中通入還原氣體(如，氫氣，或者體積比為1～30％∶1的氫氣與惰性氣體的混合氣體，且惰性氣體為氬氣、氮氣、氦氣或氖氣)5-10min，控制還原氣體的流量在60ml/min，將管式爐中的空氣排出，形成還原氣氛，然后將溫度升溫至600～1200℃，在此溫度下保持加熱1～10h，還原完畢后，在還原氣氛下冷卻至室溫，得到負載納米硅顆粒的石墨烯復合材料。

上述制備方法中，所述硅納米顆粒采用如下步驟制得：

將硅粉置于球磨機中，調整球磨轉速為450轉/分鐘，球磨時間3h。

上述制備方法中，所述氧化石墨制備步驟中，還包括如下步驟：

①、將石墨、過硫酸鉀和五氧化二磷分別加入80℃的濃硫酸中，攪拌均勻，冷卻6h以上，洗滌至中性，干燥，得到樣品；

②、將干燥后的樣品加入0℃的200-250mL濃硫酸中，再加入高錳酸鉀，并在0-20℃保溫5-60分鐘，然后在35℃的油浴中保持1-2h后，緩慢加入含雙氧水的去離子水，得到混合物；

③、待上述混合物顏色變為亮黃色，趁熱抽濾，再用鹽酸進行洗滌、抽濾、在60℃真空干燥48h，即得到氧化石墨。

本發明具有如下有益效果：

1)通過該方法制備出的復合材料中，納米級硅能夠很好的分散在石墨烯的片層之間；

(2)本復合材料由于石墨烯的高導電性能夠很好的將電子傳導到單質硅上，提高了導電性，能夠充分發揮了硅的高容量特性，適合作為鋰離子電池的負極材料；

(3)該方法制備的復合材料具有很高的比表面積，也廣泛適用與催化領域的應用；

(4)工藝流程簡單，反應時間短。

附圖說明

圖1是本發明負載納米硅顆粒的石墨烯復合材料制備工藝流程圖；

圖2為實施例1中得到的復合材料組裝成模擬電池進行的充放電測試曲線。

具體實施方式