一種石墨烯包覆氧化鋁及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新型無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯包覆氧化鋁及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種由碳原子組成的六元環(huán)蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維平面新穎材料，它具有極高的電子載流率、高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性以及高強(qiáng)度等特性，自其發(fā)現(xiàn)之日起，便引發(fā)了一場(chǎng)對(duì)石墨烯及其復(fù)合物結(jié)構(gòu)和性能研究的熱潮。
[0003]氧化鋁是常見(jiàn)的一種兼具有絕緣和導(dǎo)熱兩種性能的材料，它常用于作為填料添加齊U，如不僅可以應(yīng)用于絕緣橡膠以提高橡膠的機(jī)械強(qiáng)度，還可以應(yīng)用于陶瓷、絕緣導(dǎo)熱填料、強(qiáng)化玻璃填料、催化劑載體等諸多用途；但改性氧化鋁或無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料的氧化鋁的合成及其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域尚未有報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種石墨烯包覆氧化鋁及其制備方法，使得經(jīng)石墨烯包覆改性后的Al2O3材料具有導(dǎo)熱而且導(dǎo)電的雙重性能。此外，本發(fā)明的方法所制備的石墨烯包覆氧化鋁產(chǎn)品粒徑分布均勻、導(dǎo)電性能優(yōu)異，制備效率高。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種石墨烯包覆氧化鋁的制備方法，其中，包括以下步驟:
a、將LPAN溶液在100~200°C下攪拌100~200h，形成微環(huán)化的LPAN溶液；
b、將所述微環(huán)化的LPAN溶液在200~300°C下熱處理1~10小時(shí)，形成具有梯形結(jié)構(gòu)的熱氧化的聚丙烯腈低聚物；
C、將所述熱氧化的聚丙烯腈低聚物和鋁化合物按照質(zhì)量比為0.1-0.9:1進(jìn)行混合，再加入溶劑混合均勻，得到LPAN包覆鋁化合物；
d、將LPAN包覆鋁化合物于烘箱內(nèi)200~250°C干燥1~10小時(shí)，直至溶劑蒸發(fā)完全，得到低溫碳化前驅(qū)體包覆鋁化合物；
e、將所述低溫碳化前驅(qū)體包覆鋁化合物在惰性氣氛保護(hù)下，惰性氣體流量為10~500mL/min，溫度為700~2000°C的條件下煅燒1~10小時(shí)，得到石墨烯包覆氧化鋁。
[0006]所述的石墨烯包覆氧化鋁的制備方法，其中，所述步驟a還包括以下步驟:在微環(huán)化的LPAN溶液中加入摻雜物并混合均勻，對(duì)微環(huán)化的LPAN溶液進(jìn)行摻雜改性。
[0007]所述的石墨烯包覆氧化鋁的制備方法，其中，所述摻雜物與微環(huán)化的LPAN溶液的質(zhì)量比為0.01-0.5:1。
[0008]所述的石墨烯包覆氧化鋁的制備方法，其中，所述摻雜物為金屬摻雜物或非金屬摻雜物；所述金屬摻雜物為錫、銅、銀、鋁、鉻、鐵、鈦、錳、鎳、鈷金屬的金屬本身、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬硼化物、金屬氟化物、金屬溴化物、金屬硫化物或者金屬有機(jī)化合物中的一種或者多種；所述非金屬摻雜物為硅、磷、硼、氮、碳、硫、硫單質(zhì)及其化合物中的一種或者多種。
[0009]所述的石墨烯包覆氧化鋁的制備方法，其中，所述LPAN溶液的溶質(zhì)是液態(tài)丙烯腈低聚物，其相對(duì)分子量為106~100000，并且不含溶劑。
[0010]所述的石墨烯包覆氧化鋁的制備方法，其中，所述液態(tài)丙烯腈低聚物是丙烯腈的均聚物，或者是丙烯腈與烯類(lèi)單體的共聚物。
[0011]所述的石墨烯包覆氧化鋁的制備方法，其中，所述烯類(lèi)單體為苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羥乙酯、丙烯酸、亞甲基丁二酸中的一種。
[0012]所述的石墨烯包覆氧化鋁的制備方法，其中，所述步驟c中，混合均勻的方式為攪拌、超聲或球磨。
[0013]所述的石墨烯包覆氧化鋁的制備方法，其中，所述步驟c中鋁化合物包括氧化鋁或鋁鹽化合物。
[0014]一種石墨烯包覆氧化鋁，其中，采用所述的石墨烯包覆氧化鋁的制備方法制備而成。
[0015]有益效果:本發(fā)明利用LPAN作為碳源，常溫下對(duì)氧化鋁進(jìn)行包覆制備出前驅(qū)體，在高溫惰性氣氛下制備出石墨烯包覆氧化鋁粉體，該粉體不僅具有粒徑小、分布均勻等特點(diǎn)，而且易于成膜，附著性能優(yōu)良。本發(fā)明方法制備的石墨烯包覆氧化鋁具有設(shè)備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、純度高、產(chǎn)量大、粒徑分布均勻，形貌好等優(yōu)點(diǎn)。由于液態(tài)丙烯腈低聚物存在大量的官能基團(tuán)，且為液態(tài)前驅(qū)體，通過(guò)對(duì)其改性摻雜包覆，可與摻雜物混合均勻，結(jié)合緊密。如:該粉體能夠良好的與鋰離子電池電解液相浸潤(rùn)，不但能大幅度降低鋰離子電池的內(nèi)阻，并且使得電池的容量和循環(huán)性能穩(wěn)定，從而提高電池的整體性能。此外，由于石墨烯具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，那么經(jīng)石墨烯包覆后的氧化鋁復(fù)合物則比單純的氧化鋁粉體具有更好的導(dǎo)熱性能，同時(shí)增加了其導(dǎo)電性，使得石墨烯包覆氧化鋁粉體擁有更多的用途。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為實(shí)施例1在煅燒溫度為800°C條件下所制備產(chǎn)物的SEM圖。
[0017]圖2為實(shí)施例2在煅燒溫度為900°C條件下所制備產(chǎn)物的SEM圖。
[0018]圖3為實(shí)施例2所制備產(chǎn)物的XRD圖，產(chǎn)物為石墨烯包覆氧化鋁。
[0019]圖4為實(shí)施例2所制備產(chǎn)物的拉曼圖，產(chǎn)物為石墨烯包覆氧化鋁。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明提供一種石墨烯包覆氧化鋁及其制備方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0021]本發(fā)明通過(guò)溶劑熱處理法獲得石墨烯包覆氧化鋁，該粉體不僅具有粒徑小、分布均勻等特點(diǎn)，而且易于成膜，附著性能優(yōu)良。此外，該粉體能夠良好的與鋰離子電池電解液相浸潤(rùn)，不但能大幅度降低鋰離子電池的內(nèi)阻，并且使得電池的容量和循環(huán)性能穩(wěn)定，從而提高電池的整體性能。
[0022]本發(fā)明所提供的一種石墨烯包覆氧化鋁的制備方法較佳實(shí)施例，包括以下步驟: SlOOjf LPAN溶液在100~200°C下攪拌100~200h，形成微環(huán)化的LPAN溶液。
[0023]具體地，首先在步驟SlOO中將丙烯腈低聚物(LPAN)溶液制成微環(huán)化的丙烯腈低聚物溶液，其形成條件是100~200°C下攪拌100~200h。此步驟中進(jìn)行微環(huán)化的預(yù)處理，其目的是使線性的LANO分子轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的耐熱梯形結(jié)構(gòu)，使其在高溫碳化時(shí)不會(huì)完全熱解，保持較高的碳?xì)埩袈屎头€(wěn)定的物化性能，并最后轉(zhuǎn)化為具有類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)的碳。
[0024]其中的丙烯腈低聚物溶液，其所用的溶質(zhì)為液態(tài)丙烯腈低聚物，液態(tài)丙烯腈低聚物的相對(duì)分子量在106~100000之間，優(yōu)選為1600~25000 ;在本發(fā)明中，LPAN溶液沒(méi)有采用稀釋的液態(tài)丙烯腈低聚物，即只含有溶質(zhì)液態(tài)丙烯腈低聚物，而不含溶劑，這是因?yàn)?，該聚合物的分子量大，是碳含量高的長(zhǎng)鏈大分子，可以為后面制備碳包覆提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
[0025]其中的液態(tài)丙烯腈低聚物優(yōu)選為丙烯腈的均聚物。所述的液態(tài)丙烯腈低聚物還可以是丙烯腈與其它烯類(lèi)單體的共聚物，其它烯類(lèi)單體是苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羥乙酯、丙烯酸或亞甲基丁二酸等。
[0026]丙烯腈低聚物溶液是聚吡咯(Ply)、聚噻吩(PTh)、聚苯胺(PAN)、聚乙炔、聚苯乙烯、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺樹(shù)脂中的一種。優(yōu)選地，所述丙烯腈低聚物溶液為聚苯胺(PAN)，這是由于作為碳源的PAN丙烯腈低聚物與鋁化合物結(jié)合更牢固，且該P(yáng)AN丙烯腈低聚物碳膜結(jié)構(gòu)完整，可有效提高石墨烯包覆氧化鋁復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。
[0027]優(yōu)選地，所述丙烯腈低聚物溶液為自制丙烯腈低聚物，所述自制丙烯腈低聚物在-80°C -200°C為液態(tài)，濃度為0.8-1.2g/cm2。本發(fā)明采用自制丙烯腈低聚物作為與鋁化合物結(jié)合的碳源，而不是傳統(tǒng)使用的稀釋的丙烯腈低聚物溶液，這是因?yàn)楸景l(fā)明自制丙烯腈低聚物的分子量大，是碳含量高的長(zhǎng)鏈大分子，可以為后面制備碳包覆提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
[0028]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述步驟SlOO還包括步驟:在微環(huán)化的LPAN溶液中加入摻雜物并混合均勻，對(duì)其進(jìn)行摻雜改性，由于丙烯腈低聚物存在大量的功能基團(tuán)，且為液態(tài)前驅(qū)體，通過(guò)對(duì)其改性摻雜，可使LPAN與摻雜物混合均勻，結(jié)合更緊密。
[0029]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述在微環(huán)化的LPAN溶液加入摻雜物并混合均勻的過(guò)程中，所述加入的摻雜物與微環(huán)化的LPAN溶液的質(zhì)量比為0.01-0.5:1 ;所述混合均勻的方式為攪拌、超聲或球磨，這是由于微環(huán)化的LPAN含有大量功能基團(tuán)，能使摻雜物與微環(huán)化的LPAN結(jié)合緊密，部分微環(huán)化的LPAN功能基團(tuán)能與摻雜物配位絡(luò)合，能達(dá)到分子水平的相容及包覆，經(jīng)過(guò)攪拌、超聲或球磨后，微環(huán)化的LPAN能與摻雜物更充分的混合和接觸。優(yōu)選地，所述混合均勻的方式為球磨，混合效果更佳。
[0030]進(jìn)一步地，所述摻雜物為金屬摻雜物或非金屬摻雜物；所述金屬摻雜物為錫、銅、銀、鋁、鉻、鐵、鈦、錳、鎳、鈷金屬的金屬本身、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬硼化物、金屬氟化物、金屬溴化物、金屬硫化物或者金屬有機(jī)化合物中的一種或者多種；所述非金屬摻雜物為硅、磷、硼、氮、碳、硫、硫單質(zhì)及其化合物中的一種或者多種。優(yōu)選地，本發(fā)明在微環(huán)化的LPAN溶液中加入的摻雜物為金屬錫粉，經(jīng)此金屬錫粉摻雜后的的微環(huán)化的LPAN穩(wěn)定性更好，且金屬錫粉能進(jìn)一步提高石墨烯包覆氧化鋁的導(dǎo)電性。
[0031]S200、將所述微環(huán)化的LPAN溶液在200~300°C下熱處理1~10小時(shí)，形成具有梯形結(jié)構(gòu)的熱氧化的聚丙烯腈低聚物。
[0032]本發(fā)明所述步驟S200中、所述微環(huán)化的丙烯腈低聚物溶液，經(jīng)過(guò)200-300°C熱處理1-1Oh后，形成具有梯形結(jié)構(gòu)的熱氧化的聚丙烯腈低聚物(0ΡΑΝ)。優(yōu)選地，所述微環(huán)化的丙烯腈低聚物溶液經(jīng)過(guò)200-300°C處理8h后，所得的熱氧化的聚丙烯腈低聚物化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，可穩(wěn)定儲(chǔ)存，留待下一步使用。
[0033]S300、將所述熱氧化的聚丙烯腈低聚物和鋁化合物按照質(zhì)量比為0.1-0.9:1進(jìn)行混合，再加入溶劑混合均勻，得到LPAN包覆鋁化合物。
[0034]具體地，本發(fā)明所述步驟S300中，所述鋁化合物包括氧化鋁或鋁鹽化合物。
[0035]具體地，本發(fā)明所述步驟S300中，所述溶劑可以為親水性溶劑或疏水性溶劑，所述熱氧化的聚丙烯腈低聚物和鋁化