[發明專利]一種納米氧化鎳/石墨烯復合材料及制備方法

有效

• 申請號: 201110050158.6
• 申請日: 2011-03-03
• 公開（公告）號: CN102184781A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發明（設計）人: 趙兵;宋勁松;劉鵬;徐為文;方濤;焦正;吳明紅
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及一種納米氧化鎳/石墨烯復合材料及其制備方法。特別是一種作為超級電容器電極材料的石墨烯基的二維納米復合材料，屬于電化學和材料合成技術領域。

背景技術

近年來，隨著實際應用對儲能裝置各項指標要求的不斷提高，當前的儲能裝置標準設計能力已經無法滿足實際需求。電池長久以來在汽車、電子、通訊、航空航天、軍事、醫療、郵政等領域被廣泛的應用，電池的能量密度相對較大，能滿足許多場合的應用需要。然后電池卻也存在一定缺陷：如充電時間長、功率密度相對較低等。在一些高脈沖應用場合中，電池難以滿足體系所需要的大功率。傳統的電容器（如鋁電解電容、鉭電解電容等）目前廣泛的應用于電子線路，計算機、電力系統等，但是由于其儲能密度過低，在人們對能源要求日益苛刻的今天，其應用的深度和廣度正不斷縮小。隨著人們生活水平的提高，環保意識的日漸加強，新的應用領域的不斷開辟，人們期待著具有高能量、高功率、長壽命的新型綠色儲能器件的出現。

以RuO₂為電極材料的超級電容器已經實現了商品化，但由于原料價格十分昂貴，限制了此類電容器的廣泛應用，尋找其良好的替代品成為人們的研究興趣，廉價的過渡金屬氧化物因成為人們的研究熱點。目前研究較多的是NiO和MnO₂等金屬氧化物，金屬氧化物具有比碳材料更高的儲能密度，因而具有更好的發展前途。

NiO因為其來源廣泛，相對廉價，電容行為良好等特點成為RuO₂理想的替代品之一，但是NiO作為超級電容器材料具有兩個非常致命的缺點：一個是導電性比較差，一個是NiO納米材料容易團聚。這個問題得以解決后對新型綠色超級電容器的制備具有重要的應用價值，尤其是可以滿足新能源汽車、混合動力汽車在汽車加速爬坡等大功率需求，這對新型電容器的推廣具有重要的意義。

石墨烯是一種碳的單原子厚度的準二維納米結構，它是由sp2碳原子緊密排列成的二維蜂窩狀格子的單層石墨片。以其極好的結晶性及電學和非凡的電子學、熱力學和力學性能，使其能夠在納米復合材料領域得到很好的應用。石墨烯自2004年被Geim教授等發現以來，便迅速引起了大家的興趣，石墨烯因為其良好的導電性可以廣泛的應用到復合材料的制備中。

發明內容

本發明的目的在于克服NiO作為超級電容器材料存在的缺陷，制備出高容量，綠色環保的超級電容器材料。本發明提供了一種具有獨特結構的納米氧化鎳/石墨烯復合材料及其制備方法，其典型的結構特征為氧化鎳納米顆粒在單層石墨烯的兩面生長，單層石墨烯作為基體骨架，納米氧化鎳顆粒在骨架兩面生長，是一種準二維結構的納米復合材料。作為基體骨架的石墨烯具有非常好的導電性，氧化鎳顆粒之間通過石墨烯基體實現良好導電性，提高了復合材料表觀電導率。生長在石墨烯片上的納米氧化鎳顆粒的尺寸在1~10納米；復合石墨烯納米片的平面尺寸在0.1~50微米，厚度在1~20納米。復合材料中氧化鎳的重量百分比為60%~95%。

為合成上述結構材料，本發明采用如下技術方案：

納米氧化鎳/石墨烯復合材料的制備經過兩個典型步驟，一是采用化學溶液方法制備納米氧化鎳/石墨烯的前驅體材料，二是在惰性氣體保護下高溫燒結成相。具體步驟為：

a.?????制備石墨烯氧化物；

b.????取一定體積的石墨烯氧化物溶液，加一定體積的水稀釋到濃度2~10mg/ml，攪拌0.5~2h；

c.?????取一定質量的水溶性鎳鹽溶解在去離子水中，攪拌均勻配制成濃度為1~3M的溶液；水溶性鎳鹽為硫酸鎳、硝酸鎳、氯化鎳中的一種；

d.????在磁力攪拌器不斷攪拌下，將步驟c制備的鎳鹽溶液緩慢滴加到步驟b得到的石墨烯氧化物溶液中，然后攪拌1h；鎳鹽與金屬氧化物的摩爾比為1:1～1:5；

e.?????然后將濃度為1M的水溶性銨鹽溶液緩慢滴加到d步驟得到的溶液中，在pH計檢測下調節溶液的pH為7.5，然后攪拌1h，過濾，乙醇洗三次，去離子水洗三次得到前驅體；水溶性銨鹽為碳酸氫銨、碳酸銨或草酸銨中的一種；水溶性銨鹽與c步驟中的水溶性鎳鹽按化學計量比配料；

f.??????將制備的前驅體在80℃下真空干燥5-20h，然后將干燥的前驅體盛放在石英舟中放入管式電阻爐中，在300-800℃和惰性氣體（如N₂）保護下煅燒制備的納米氧化鎳/石墨烯復合材料。