專利名稱：一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是由單層碳原子緊密堆積構(gòu)成的二維晶體，是包括富勒烯，碳納米管，石墨在內(nèi)的碳同素異形體的基本組成單元。作為具有優(yōu)異相似性能的納米碳，獨立存在的單層石墨烯自2004年首次由曼徹斯特大學(xué)的Geim所在的研究團(tuán)隊采用機(jī)械剝離的方法獲得以來，得到了世界各國研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視。石墨烯在熱、電、光等方面均表現(xiàn) 出優(yōu)異的性能，是近年來化學(xué)、材料和物理學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。石墨烯基納米復(fù)合材料由于具有更多獨特而優(yōu)于石墨烯的性能，進(jìn)一步拓展了石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域，吸引了越來越多研究者的注意力。石墨烯和金屬氧化物復(fù)合材料在儲能和光催化領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。原位生長法方法簡單、過程容易控制是制備石墨烯/金屬氧化物復(fù)合材料廣泛采用的方法。然而，該方法金屬氧化物的負(fù)載量難以控制，石墨烯表面氧化物的負(fù)載量過多將導(dǎo)致納米顆?；ハ嘀丿B，這樣，大量的氧化物納米顆粒與石墨烯脫離[X. Y. Wang, X. F. Zhou, K. Yan, J. G. Zhang, etal.，Carbon 49 (2011) : 133 139];而金屬氧化物的負(fù)載量過少，金屬氧化物不能有效地阻礙石墨烯的重疊。因此，控制金屬氧化物和石墨烯適宜的比例是非常重要的，它可以給出納米顆粒優(yōu)化的覆蓋率，是保證復(fù)合材料優(yōu)異性能的關(guān)鍵。目前控制金屬氧化物在石墨烯表面負(fù)載量的方法大多采用分子組裝技術(shù)，利用高分子聚合物化學(xué)交聯(lián)在氧化石墨烯的表面，通過控制化學(xué)交聯(lián)劑引入的極性官能團(tuán)的量，定量控制氧化物納米顆粒的負(fù)載量；而原位生長法則通過大量的平行實驗通過調(diào)整氧化石墨烯和氧化物前驅(qū)體的比例來獲得具有較好性能的氧化物負(fù)載量的氧化石墨烯和氧化物前驅(qū)體的最佳配比。由于現(xiàn)有技術(shù)制備石墨烯基納米復(fù)合材料的方法難以定量控制金屬氧化物在石墨烯表面負(fù)載量，因此限制了這種高性能材料的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有技術(shù)制備石墨烯基納米復(fù)合材料的方法難以定量控制金屬氧化物在石墨烯表面負(fù)載量的問題，而提供的一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法。一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法，具體是按照以下步驟制備的一、采用改性的Hummers法制備氧化石墨烯；二、將步驟一制備的氧化石墨烯進(jìn)行XPS測試分析，并擬合Cls峰，得到氧化石墨烯表面C-C、C-0、C=0和C(O)O的物質(zhì)的量的百分含量分別為a、b、c和d，得出氧化石墨烯表面含氧官能團(tuán)的物質(zhì)的量的百分含量為b+c+d ；三、采用超聲清洗機(jī)將e mol步驟一制備的氧化石墨烯分散到去離子水中，配制成濃度為O. lmg/mL lOmg/mL的氧化石墨烯分散液，其中，控制頻率為40kHz飛OkHz，分散時間為 30min 300min ；
J]四、稱取〔O.6 I) XeX-X (b+c+d) raoi意欲負(fù)載到石墨烯表面的金屬氧化
m物的前驅(qū)體，其中，η為金屬氧化物化學(xué)式中金屬原子的個數(shù)，m為金屬氧化物的前驅(qū)體化學(xué)式中金屬原子的個數(shù)，采用超聲清洗機(jī)將氧化劑前驅(qū)體分散到溶劑中，控制頻率為IOkHz 20kHz,分散時間為30mirT60min,配制成濃度為O. 2mol/L I. Omol/L的前驅(qū)體溶液；五、將步驟四制備的前驅(qū)體溶液滴加到步驟三制備的氧化石墨烯分散液中，邊滴加邊攪拌，再將溶液放入超聲清洗機(jī)中，控制頻率為IOkHz 20kHz，分散2tT3h，再采用堿溶液調(diào)節(jié)溶液的PH至2 11，得到混合溶液，再將混合溶液轉(zhuǎn)入水熱反應(yīng)釜中，在溫度為IOO0C 240°C條件下保持5tT30h，再將混合溶液取出自然冷卻至室溫，得到金屬氧化物/石墨烯納米復(fù)合材料懸濁液；六、將金屬氧化物/石墨烯納米復(fù)合材料懸濁液放入離心機(jī)中，在轉(zhuǎn)速為500r/mirT2000r/min條件下，離心5mirT30min，再進(jìn)行水洗、醇洗至濾液pH為7，再將濾出物放入真空干燥箱中，控制溫度為40°C 150°C，真空干燥8tTl5h，得到石墨烯基納米復(fù)合材料。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過XPS測試及Cls衍射峰的擬合分析，確定氧化石墨烯表面含氧官能團(tuán)的種類和數(shù)量，能夠定量控制金屬氧化物在石墨烯表面負(fù)載量；由本·發(fā)明制備的石墨烯基納米復(fù)合材料制備的鋰離子電池，在電流密度為100mA/g時，首次放電效率為60%以上；20次循環(huán)后，放電效率保持在70%以上；由本發(fā)明制備的石墨烯基納米復(fù)合材料制備的鋰離子電池，隨著放電電流從IOOmA g—1增大到2000mA g_S放電容量保持在40%以上。本發(fā)明制備的石墨烯基納米復(fù)合材料可應(yīng)用于儲能、光催化和傳感器領(lǐng)域。


圖I為實施例一中步驟一制備的氧化石墨烯的XPS測試的全譜圖，其中“a”代表Cls的衍射峰、“b”代表Ols的衍射峰；圖2為實施例一中步驟一制備的氧化石墨烯的XPS測試的Cls譜圖，其中“a”代表C-C的衍射峰、“b”代表C-O的衍射峰、“c”代表C=O的衍射峰、“d”代表C(O)O的衍射峰；圖3為實施例一制備的石墨烯基納米復(fù)合材料的XRD譜圖，其中“a”代表石墨的衍射峰、“b”代表Fe2O3的衍射峰；圖4為實施例一制備的石墨烯基納米復(fù)合材料的60000倍掃描電鏡圖；圖5為由實施例一制備的石墨烯基納米復(fù)合材料制備的鋰離子電池負(fù)極的充、放電性能曲線圖，其中“a”代表首次充電、“b”代表第2次充電、“c”代表第10次充電、“d”代表第20次充電、“e”代表首次放電、“f”代表第2次放電、“g”代表第10次放電、“h”代表第20次放電；圖6為由實施例一制備的石墨烯基納米復(fù)合材料制備的鋰離子電池負(fù)極的倍率性能曲線圖，其中“ ”代表充電、“· ”代表放電。
具體實施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的具體實施方式
，還包括各具體實施方式
之間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法，具體是按照以下步驟制備的
一、采用改性的Hummers法制備氧化石墨烯；二、將步驟一制備的氧化石墨烯進(jìn)行XPS測試分析，并擬合Cls峰，得到氧化石墨烯表面C-C、C-0、C=0和C(O)O的物質(zhì)的量的百分含量分別為a、b、c和d，得出氧化石墨烯表面含氧官能團(tuán)的物質(zhì)的量的百分含量為b+c+d ；三、采用超聲清洗機(jī)將e mol步驟一制備的氧化石墨烯分散到去離子水中，配制成濃度為O. lmg/mL lOmg/mL的氧化石墨烯分散液，其中，控制頻率為40kHz飛OkHz，分散時間為 30min 300min ； 四、稱取
權(quán)利要求
1.一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法具體是按照以下步驟制備的 一、采用改性的Hmnmers法制備氧化石墨烯； 二、將步驟一制備的氧化石墨烯進(jìn)行XPS測試分析，并擬合Cls峰，得到氧化石墨烯表面C-C、C-0、C=0和C(O)O的物質(zhì)的量的百分含量分別為a、b、c和d，得出氧化石墨烯表面含氧官能團(tuán)的物質(zhì)的量的百分含量為b+c+d ； 三、采用超聲清洗機(jī)將emol步驟一制備的氧化石墨烯分散到去離子水中，配制成濃度為O. lmg/mL^lOmg/mL的氧化石墨烯分散液，其中，控制頻率為40kHz飛OkHz，分散時間為30min 300min ； 四、稱取(0.6 I)XeX-X (b+c+d) mol意欲負(fù)載到石墨烯表面的金屬氧化物的 m前驅(qū)體，其中，η為金屬氧化物化學(xué)式中金屬原子的個數(shù)，m為金屬氧化物的前驅(qū)體化學(xué)式中金屬原子的個數(shù)，采用超聲清洗機(jī)將氧化劑前驅(qū)體分散到溶劑中，控制頻率為IOkHz 20kHz,分散時間為30mirT60min,配制成濃度為O. 2mol/L I. Omol/L的前驅(qū)體溶液； 五、將步驟四制備的前驅(qū)體溶液滴加到步驟三制備的氧化石墨烯分散液中，邊滴加邊攪拌，再將溶液放入超聲清洗機(jī)中，控制頻率為IOkHz 20kHz，分散2tT3h，再采用堿溶液調(diào)節(jié)溶液的PH至2 11，得到混合溶液，再將混合溶液轉(zhuǎn)入水熱反應(yīng)釜中，在溫度為IOO0C 240°C條件下保持5tT30h，再將混合溶液取出自然冷卻至室溫，得到金屬氧化物/石墨烯納米復(fù)合材料懸濁液； 六、將金屬氧化物/石墨烯納米復(fù)合材料懸濁液放入離心機(jī)中，在轉(zhuǎn)速為500r/mirT2000r/min條件下，離心5mirT30min，再進(jìn)行水洗、醇洗至濾液pH為7，再將濾出物放入真空干燥箱中，控制溫度為40°C 150°C，真空干燥8tTl5h，得到石墨烯基納米復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟三中配制成濃度為0. 2mg/mL、mg/mL的氧化石墨烯分散液。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟四中金屬氧化物的前驅(qū)體為 FeCl2 · 4H20、Co (NO3) 2 · 6H20 或 SnCl2 · 2H20 和 Mn (CH2COO) 2 · 4H20。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟四中溶劑為蒸餾水、無水乙醇或質(zhì)量濃度為20%飛0%的乙二醇溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟四中配制成濃度為0. 5mol/L 0. 8mol/L的前驅(qū)體溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟五中堿溶液為濃度為37at. %的氨水或濃度為lmol/L的NaOH溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟五中采用堿溶液調(diào)節(jié)溶液的PH至8 10。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟五中在溫度為150°C 200°C條件下保持8h 15h。
全文摘要
一種石墨烯基納米復(fù)合材料的制備方法，本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有技術(shù)制備石墨烯基納米復(fù)合材料的方法難以定量控制金屬氧化物在石墨烯表面負(fù)載量的問題。方法一、制備氧化石墨烯；二、XPS測試分析；三、配制氧化石墨烯分散液；四、配制前驅(qū)體溶液；五、反應(yīng)；六、洗滌、干燥。本發(fā)明通過XPS測試及C1s衍射峰的擬合分析，確定氧化石墨烯表面含氧官能團(tuán)的種類和數(shù)量，能夠定量控制金屬氧化物在石墨烯表面負(fù)載量。本發(fā)明制備的石墨烯基納米復(fù)合材料可應(yīng)用于儲能、光催化和傳感器領(lǐng)域。
文檔編號H01M4/48GK102881905SQ201210369259
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者付長璟, 趙國剛, 張海軍, 李爽 申請人:黑龍江科技學(xué)院