[發(fā)明專利]一種負載金屬氧化物納米粒子的石墨烯微纖維及其制備方法和應用

有效

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• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111689490B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發(fā)明（設計）人: 黃鐵騎;朱紀欣
• 申請（專利權）人: 南京工業(yè)大學
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19;C01G49/06;C01G51/04;C01G53/04;H01M4/52;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 吳頻梅

本發(fā)明公開了一種負載金屬氧化物納米粒子的石墨烯微纖維及其制備方法和應用，步驟如下：首先將氧化石墨烯水溶液通過圓形噴頭注入含有金屬離子的凝固浴中，通過強剪切力場的作用得到不連續(xù)的含有金屬離子的石墨烯微纖維，在自然干燥后經過保護氣氛下的控溫煅燒，最終得到負載金屬氧化物納米粒子的石墨烯微纖維。所得的復合微纖維具有豐富的多級結構，兼具豐富的活性位點與較好的導電性，在傳感、儲能以及催化等方面擁有廣闊的應用前景。

技術領域

本發(fā)明屬于石墨烯復合材料領域，涉及一種負載金屬氧化物納米粒子的石墨烯微纖維。

背景技術

石墨烯，作為一種典型的由碳原子構成的二維材料，因其特殊的物理化學性質而得到科學界和企業(yè)界的青睞。在這些獨特的性質中，其超高的電導率、較大的比表面積以及良好的柔韌性，使得石墨烯具有成為優(yōu)秀電極材料的潛質。然而，石墨烯本身的活性較低，遠遠不能使其媲美其他傳統(tǒng)的電極材料，無法滿足人們的生產生活需求。

以石墨烯作為基底，引入其他高活性的電極材料，成為提高石墨烯基材料使用價值的有效途徑。作為傳統(tǒng)的電極材料，金屬氧化物因其超高比容量、較低電化學反應勢壘以及簡單易行的制備方法，已經得到了大力推廣。因此以金屬氧化物負載石墨烯，成為了獲得既有高活性高容量又有高導電性高循環(huán)性的重要途經。目前制備負載金屬氧化物的石墨烯基材料的方法主要包括物理共混以及化學合成兩種，石墨烯主要是作為導電添加劑輔助金屬氧化物的性能釋放。

然而，目前負載金屬氧化物的石墨烯材料仍然面臨著諸多問題：(1)物理共混的方法通常需要分別得到各自分散的石墨烯與金屬氧化物，通過機械力或者吸附作用并不能保證金屬氧化物和石墨烯能分子級完全均勻復合，一般存在嚴重的分相團聚等現象，大大降低材料活性與穩(wěn)定性；(2)化學合成通常以石墨烯基體原位生長金屬氧化物，石墨烯通常成為無序的褶皺體，且容易造成各物相的堆疊與無序生長，從而影響電化學性能的穩(wěn)定發(fā)揮。故而，通過傳統(tǒng)的制備方法一般無法保證獲得物相均勻、不易堆疊、穩(wěn)定性高的負載金屬氧化物的石墨烯材料。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種制備方法皆可以規(guī)?；€(wěn)定更高效的電極性能，較傳統(tǒng)商業(yè)碳基材料性能大幅提高，負載金屬氧化物納米粒子的石墨烯微纖維。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案是：一種負載金屬氧化物納米粒子的石墨烯微纖維的制備方法，具體步驟如下：

(1)將氧化石墨烯水相分散液通過圓形紡絲頭注入含有金屬離子的水溶液凝固浴中，使氧化石墨烯擠出成型后得到交聯(lián)；氧化石墨烯擠出速率為1～10毫米每分鐘，金屬離子為鐵、鈷或鎳過渡金屬離子，離子濃度為1～10％質量分數；

(2)以10～100轉每分鐘的速度高速攪拌凝固浴，使氧化石墨烯不能連續(xù)化擠出，利用流場將其剪切為微米級水凝膠；

(3)將上述微米級水凝膠過濾干燥，并置于管式爐中在保護氣下進行煅燒，獲得負載金屬氧化物納米粒子的石墨烯微纖維。

優(yōu)選的，所述步驟(3)的煅燒溫度為300～600℃，煅燒時間為2～8小時。

優(yōu)選的，所述步驟1中以鐵離子5％質量分數作為交聯(lián)劑，步驟2中流場速度為50轉每分鐘，步驟3熱處理為450℃度煅燒5小時。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出另一技術方案是：任一所述方法制備的負載金屬氧化物納米粒子的石墨烯微纖維。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出另一技術方案是：所述的負載金屬氧化物納米粒子的石墨烯微纖維應用，可應用為鋰離子電池負極材料。

優(yōu)選的，步驟(1)中以鐵離子作為交聯(lián)劑，步驟(2)中流場速度為50轉每分鐘，步驟(3)熱處理為450℃煅燒5小時，其鋰離子負極性能：比容量為900mAh/g，經過250次充放電循環(huán)仍沒有性能損失。

一種負載金屬氧化物納米粒子的石墨烯微纖維的制備方法，它的步驟如下：