[發(fā)明專利]一種石墨烯和二氧化錳納米復(fù)合材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110135866.X
• 申請(qǐng)日: 2011-05-24
• 公開（公告）號(hào): CN102275903A
• 公開（公告）日: 2011-12-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 秦宗益;郭娜;王凌鳳;蔡雅萌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B31/04
• 分類號(hào): C01B31/04;C01G45/02;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 上海泰能知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 31233
• 代理人: 黃志達(dá);謝文凱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于二氧化錳納米復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，特別涉及一種石墨烯和二氧化錳納米復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)

二氧化錳材料由于其結(jié)構(gòu)的多樣性及其獨(dú)特的物理化學(xué)特性，另外價(jià)格低廉、環(huán)境友好，作為一種重要的電極材料，廣泛應(yīng)用于干電池、堿錳電池、鋅錳電池、鎂錳電池、鋰錳電池等化學(xué)電源中(CN?1758468A；CN?1594212；CN?95103067.1；CN?200510014876.2；CN200810027780.3；CN?200810027780.3)，作為一種多功能精細(xì)無機(jī)功能材料，可應(yīng)用為分子篩、高級(jí)催化劑料等。作為一種兩性過渡金屬氧化物，在工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境治理中有著廣泛的應(yīng)用，如有機(jī)污染物的吸附降解、處理含汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等重金屬廢水方面也有較強(qiáng)的應(yīng)用前景(CN?1935355A)。特別是納米級(jí)二氧化錳具有很多獨(dú)特的性能，如特殊的微觀結(jié)構(gòu)和較大的比表面積、表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同、表面原子配位不全，導(dǎo)致表面活性位置增加，隨著粒徑的減小，表面光滑程度變差，形成了凹凸不平的原子臺(tái)階，增加了化學(xué)反應(yīng)的接觸面。特別是其擁有良好的電化學(xué)性能、優(yōu)越的離子/電子傳導(dǎo)率和相對(duì)高的電位使其在電化學(xué)領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用(CN?200410020888.1；CN?200510014876.2；CN200910049408.7；CN?201010123751.4；CN?201010039644.3)。制備納米二氧化錳的方法有多種多樣，主要有水熱合成法、低溫固相合成法、有機(jī)-水兩相反應(yīng)法、共沉淀法、回流冷卻法、凝膠-溶膠法、微乳液法和熱分解法等，尤其是二氧化錳薄片具有高比表面積的納米結(jié)構(gòu)是合成工作追求的重要目標(biāo)(CN?02157737.4；CN200810200287.7；CN?200910139589.2；CN200910019398.2；CN?200910304513.0)。但是大多數(shù)方法得到的產(chǎn)品是形貌不同的粉體或微粒，粒徑分布廣，團(tuán)聚現(xiàn)象較嚴(yán)重。納米二氧化錳在存放和使用過程中會(huì)存在嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，使其無法發(fā)揮出以單分散狀態(tài)存在的特殊性能和優(yōu)勢(shì)。在用作電極材料時(shí)，還存在著單獨(dú)使用二氧化錳存在電子導(dǎo)電性較差和利用率不高等缺點(diǎn)，因此常常使納米二氧化錳與具有較大比表面積的碳基材料復(fù)合在一起，可進(jìn)一步提高其的活性和穩(wěn)定性，并發(fā)揮兩者的協(xié)同效應(yīng)(CN?200410041356.6；CN?200610068772.4；CN?200710156155.4；CN?200910071880.0；CN200910071963.X)。

石墨烯由碳六元環(huán)組成的兩維周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性和機(jī)械性能等，是一種理想的載體(CN?101800302A；CN?101877405A；US?20100081057)；陳衛(wèi)祥等用水熱法制備的石墨烯/Ru納米復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料具有較高的比電容，當(dāng)Ru的含量為48.9％時(shí)，復(fù)合材料的比電容達(dá)到583F/g(CN?101714463A)。石墨烯還具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，大的比表面積和寬的電化學(xué)窗口，它特有的層狀結(jié)構(gòu)有利于電解液在其內(nèi)部迅速擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)電子元件瞬時(shí)間大功率充放電，這些特點(diǎn)使其成為一種極有潛力的鋰離子電池電極材料和超級(jí)電容器電極材料(US?20100081057A1；CN?101849302A；CN?1017494874A)。何雨石等通過水熱法制備出鋰離子電池石墨烯納米片-氫氧化鈷復(fù)合負(fù)極材料，在200mA/g的電流進(jìn)行充放電時(shí)，復(fù)合材料的可逆比容量可以穩(wěn)定在900mAh/g以上(CN?101867046A)。最近Yan等利用微波輻射法制備了石墨烯/無定形二氧化錳復(fù)合材料，作為高速掃描的超級(jí)電容器的電極材料性能優(yōu)越，在2mV/s時(shí)的比電容高達(dá)310F/g，在500mV/s時(shí)的比電容仍然高達(dá)228F/g(Carbon?2010；48：3825～3833)。Wu等制備石墨烯/二氧化錳納米線復(fù)合材料，并且作為正極材料組裝成性能優(yōu)異的電化學(xué)電容器，在7.0Wh?kg^-1時(shí)的功率密度高達(dá)5000Wkg^-1，經(jīng)過1000次循環(huán)后比電容衰減為21％(ACS?NANO?2010；4：5835～5842)。由此可見，納米二氧化錳與石墨烯復(fù)合綜合了兩者的優(yōu)異性能，并產(chǎn)生顯著的協(xié)同效應(yīng)。我們采用碳納米管作為載體成功地將瓣?duì)疃趸i納米晶負(fù)載上去，該材料用作超級(jí)電容器電極時(shí)具有明顯矩形特征的CV曲線，并具有較高的比電容值和良好的電化學(xué)性能穩(wěn)定性(CN?201010256458.5)。目前尚未見到將瓣?duì)罨虬魻疃趸i納米晶負(fù)載到石墨烯上的文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容