[發明專利]石墨烯復合的碳限域金屬氧化物納米點材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201710744225.1
• 申請日: 2017-08-25
• 公開（公告）號: CN107611382B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 麥立強;孟甲申;劉子昂
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/583;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

本發明涉及石墨烯復合的碳限域金屬氧化物納米點及其制備方法，該材料作為在電化學儲能器件的電極材料，其由碳層包覆的金屬氧化物納米點均勻負載于石墨烯片上構成，所述的金屬氧化物納米點的直徑小于10nm，所述的碳層包覆的厚度為1～2nm，所述的石墨烯復合的碳限域金屬氧化物納米點材料的比表面積為100～300m²g^?1。本發明的有益效果是：利用金屬有機錯配反應制備石墨烯復合碳限域金屬氧化物納米點材料，該材料作為能源存儲的材料，具有優異的電化學性能，具有原料廉價、工藝簡單環保、產量大、材料電化學性能優異的特點。該方法提供了制備石墨烯復合碳限域金屬氧化物納米點材料一種普適策略，并具有大規模應用的潛力。

技術領域

本發明屬于納米材料與電化學器件技術領域，具體涉及一種石墨烯復合的碳限域金屬氧化物納米點及其制備方法，該材料可作為在電化學儲能器件的電極材料，并具有極大地推廣普適性。

背景技術

隨著便攜式設備，電動汽車以及混合動力汽車的爆炸式發展，高性能能源存儲設備的開發迫在眉睫，鋰離子電池技術便是其中之一。鋰離子電池作為能源存儲設備，具有成本低，能量密度與功率密度高，循環壽命長的特點。受制于正負極反應較慢的動力學過程，鋰離子電池很難達到像超級電容器那樣的高倍率性能，進而限制了其在動力系統中的應用。因此，開發具有高倍率性能的鋰離子電池電極材料具有重要意義。

與商業化石墨相比，金屬氧化物因其儲量豐富，價格低廉，理論容量高(700mAhg^-1)的特點而備受關注。但其較低電導率與充放電過程中較大的體積膨脹，嚴重制約了其在鋰離子電池中的應用。以SnO₂為例，SnO₂具有1494mAh g^-1的理論容量，但其充放電過程中～300％的體積膨脹導致了電極材料嚴重的粉化與團聚問題，進而導致了材料很差的倍率性能與循環穩定性。設計構筑合適的納米結構的可以有效的避免這一問題。另一方面，SnO₂是禁帶寬度約為3.7eV的半導體，電子電導較差。最近的研究表明，石墨烯作為負載材料的基板時可以顯著提高復合結構的電子電導。因此，如何將納米結構的金屬氧化物活性材料與石墨烯進行有效的復合是解決這類材料本征缺點的關鍵。

在過去的十年中，一類新的多孔晶體材料——金屬有機框架化合物(metal-organic frameworks,MOFs)受到了廣泛的關注。通過金屬離子或離子簇與有機配體的配位反應，人們可以很容易地得到長程有序的MOFs材料。由于MOFs結構中這種有機無機成分均勻分散的性質，近年來，MOFs材料在能源存儲領域被應用于合成各種各樣的碳基材料。但是，熱解MOF材料會造成碳基納米顆粒團聚。因此，合成高度分散的碳基納米顆粒仍然是巨大的挑戰。

發明內容

本發明的目的在于提供一種工藝簡單，易于推廣，具有優異性能的石墨烯復合的碳限域金屬氧化物納米點材料及其制備方法，其可作為鋰離子電池負極活性材料應用。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：石墨烯復合的碳限域金屬氧化物納米點材料，其由碳層包覆的金屬氧化物納米點均勻負載于石墨烯片上構成，所述的金屬氧化物納米點的直徑小于10nm，所述的碳層包覆的厚度為1～2nm，所述的石墨烯復合的碳限域金屬氧化物納米點材料的比表面積為100～300m²g^-1。

按上述方案，所述的金屬氧化物為SnO₂，Cr₂O₃，Fe₃O₄或Al₂O₃。

所述的石墨烯復合的碳限域金屬氧化物納米點材料的制備方法，其特征在于它包括如下步驟：

1)采用改進的Hummer方法制備石墨烯膠體溶液；