[發(fā)明專利]一種石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物及其制備方法和用途

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310700927.1
• 申請(qǐng)日: 2013-12-19
• 公開（公告）號(hào): CN103647064A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 岳文博
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/38
• 分類號(hào): H01M4/38;H01M4/48;H01G11/36;H01G11/46;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米復(fù)合材料和電池電極材料領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是涉及一種石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物及其制備方法和用途。

背景技術(shù)

鋰離子電池由于具有高儲(chǔ)存能量密度、容量大、無(wú)記憶效應(yīng)、額定電壓高、自放電率低、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到人們的日常生活中，尤其許多數(shù)碼設(shè)備都采用鋰離子電池做電源。一些金屬氧化物由于具有較高的理論容量，可作為鋰離子電池材料，例如Co₃O₄，NiO，F(xiàn)e₃O₄，ZnO等理論比容量為700-1000mAh/g。但金屬氧化物本身導(dǎo)電性差，充放電速率低。同時(shí)在充放電過(guò)程中會(huì)有較大的體積形變，導(dǎo)致電池材料的破裂，因此循環(huán)性能差，影響了其作為鋰離子電池電極材料的應(yīng)用。介孔碳基金屬氧化物由于具有較大的比表面積和規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，因此具有較高的充放電容量。另一方面，孔道可以提供金屬氧化物體積形變所需空間，同時(shí)碳組分可以提高電極的導(dǎo)電性，因此具有較好的循環(huán)性能和倍率性能(H.J.Zhang，H.H?Tao，Y.Jiang，Z.Jiao，M.H.Wu，B.Zhao，J.Power?Sources，2010，195，2950-2955)。但在充放電過(guò)程中介孔結(jié)構(gòu)容易被破壞，同時(shí)金屬氧化物顆粒容易團(tuán)聚，影響了介孔碳基金屬氧化物電化學(xué)性能的進(jìn)一步提升。石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，具有較大的比表面積，較高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能。因此，相比納米金屬氧化物顆粒，石墨烯基金屬氧化物具有更優(yōu)秀的電化學(xué)性能(S.B.Yang，X.L.Feng，S.Ivanovici?and?K.Müllen，Angew.Chem.Int.Ed.，2010，49，8408-8411)。一方面石墨烯可以保持金屬氧化物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，另一方面石墨烯可以提高金屬氧化物電極材料的導(dǎo)電性能，從而提高金屬氧化物電極的電化學(xué)性能。因此，通過(guò)石墨烯包覆，可以避免介孔碳基金屬氧化物孔道結(jié)構(gòu)的破壞，并且抑制金屬氧化物在充放電過(guò)程中的團(tuán)聚，進(jìn)一步提高介孔碳基金屬氧化物的電化學(xué)性能。然而，目前還未見石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物的報(bào)道。石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物有望成為一種新型的高性能鋰離子電池或超級(jí)電容器的電極材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯包覆的介孔碳基金屬氧化物及其制備方法，為現(xiàn)有鋰離子電池和超級(jí)電容器的電極材料添加一類新產(chǎn)品。

本發(fā)明所公開的石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物，其特征在于：制備的石墨烯尺寸在1μm×1μm～5μm×5μm范圍內(nèi)，被包覆的介孔碳基金屬氧化物的比表面積為100～500m²/g，孔徑為2～8nm，孔容為0.1～0.8cm³/g。

上述石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物的制備方法，包括如下步驟：

1)制備不同孔道結(jié)構(gòu)的介孔二氧化硅

在30～40℃下，將表面活性劑(如P123，F(xiàn)127)加入到含有HCl的水溶液中，混合均勻后，滴加正硅酸乙酯(TEOS)，反應(yīng)24小時(shí)；轉(zhuǎn)移到水熱釜中，在100℃烘箱中反應(yīng)48～72小時(shí)；冷卻、抽濾、洗滌、干燥，得到介孔二氧化硅。

2)向二氧化硅模板孔道內(nèi)填充碳基金屬氧化物

將二氧化硅模板加入到含有蔗糖、濃硫酸、金屬無(wú)機(jī)鹽(如硝酸鹽、醋酸鹽)的水溶液中，混合均勻后，在100℃干燥6小時(shí)，再在160℃干燥6小時(shí)；將上述過(guò)程重復(fù)一次后，將產(chǎn)物在惰性氣體保護(hù)下，700～900℃加熱2～5小時(shí)，得到孔道內(nèi)填充碳基金屬氧化物的二氧化硅。

3)二氧化硅模板表面氨基化

將孔道內(nèi)含有碳基金屬氧化物的二氧化硅加入到含有硅烷偶聯(lián)劑的40mL正己烷中，70℃回流12～24小時(shí)；冷卻、離心、洗滌、干燥。

4)制備氧化石墨烯

將濃硫酸和硝酸鈉混合后，冰浴冷卻；在0℃下，加入石墨；混合4～5小時(shí)后，慢慢加入高錳酸鉀；35℃反應(yīng)2小時(shí)，加入去離子水稀釋，98℃攪拌15分鐘，加入去離子水稀釋，并加入雙氧水；過(guò)濾，用1∶10的稀鹽酸洗滌，再用去離子水洗滌至中性，即得氧化石墨；將氧化石墨在水中超聲，得到氧化石墨烯溶液。

5)制備石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物