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
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明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。所述石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物的制備方法包括以下步驟:1)制備介孔二氧化硅;2)向二氧化硅模板孔道內(nèi)填充碳基金屬氧化物;3)二氧化硅模板表面氨基化;4)制備氧化石墨烯;5)通過(guò)自組裝制備氧化石墨烯包覆孔道內(nèi)含有碳基金屬氧化物的二氧化硅;6)氧化石墨烯還原成石墨烯;7)除去二氧化硅模板;8)離心、洗滌、干燥。本發(fā)明所提供的石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物具有優(yōu)良的電化學(xué)性質(zhì),可用作鋰電池和超級(jí)電容器的電極材料。
【專(zhuān)利說(shuō)明】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
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)】
[0002]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, Fe3O4, 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, Μ.H.Wu,B.Zhao, J.Power Sour ces,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.1vanovici and K.Miillen, Angew.Chem.1nt.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(jiàn)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】
[0003]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(lèi)新產(chǎn)品。
[0004]本發(fā)明所公開(kāi)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Ιμ--ΧΙμπι~δμπιΧδμπι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0.1~0.8cmVg°
[0005]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:
[0006]I)制備不同孔道結(jié)構(gòu)的介孔二氧化硅
[0007]在30~40°C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(TE0S),反應(yīng)24小時(shí);轉(zhuǎn)移到水熱釜中,在100°C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。
[0008]2)向二氧化硅模板孔道內(nèi)填充碳基金屬氧化物
[0009]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°c干燥6小時(shí),再在160°C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°C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。
[0010]3) 二氧化硅模板表面氨基化
[0011]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°C回流12?24小時(shí);冷卻、離心、洗滌、干燥。
[0012]4)制備氧化石墨烯
[0013]將濃硫酸和硝酸鈉混合后,冰浴冷卻;在(TC下,加入石墨;混合4?5小時(shí)后,慢慢加入高錳酸鉀;35°C反應(yīng)2小時(shí),加入去離子水稀釋?zhuān)?8°C攪拌15分鐘,加入去離子水稀釋?zhuān)⒓尤腚p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。
[0014]5)制備石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物
[0015]將氧化石墨烯溶液的pH值調(diào)節(jié)到7-10,氨基化的、孔道內(nèi)含有碳基金屬氧化物的二氧化硅懸浮液的PH值調(diào)節(jié)到4-7后,將氧化石墨烯溶液滴加到二氧化硅復(fù)合物懸浮液中,攪拌2?5小時(shí);將還原劑加入到上述溶液中使氧化石墨烯還原成石墨烯,或者在水熱條件下還原,或者離心、洗滌、干燥后,在惰性氣體保護(hù)下700?80(TC加熱還原;離心、洗滌、干燥,得到石墨烯包覆孔道內(nèi)含有碳基金屬氧化物的二氧化硅;在801:用NaOH溶液除去二氧化硅模板,或用HF溶液除去二氧化硅模板,得到石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物。
[0016]本發(fā)明提供的石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物可用做鋰離子電池和超級(jí)電容器的電極材料,該復(fù)合材料不但可以進(jìn)一步提高介孔碳基金屬氧化物的充放電容量,還可以改善介孔碳基金屬氧化物的循環(huán)性能和倍率性能。
[0017]本發(fā)明的效果:
[0018]本發(fā)明先合成出氧化石墨烯和孔道內(nèi)還有碳基金屬氧化物的二氧化硅,再調(diào)節(jié)溶液的PH值使氧化石墨烯表面帶負(fù)電荷,氨基化的二氧化硅復(fù)合物表面帶正電荷,通過(guò)自組裝使氧化石墨烯包覆二氧化硅復(fù)合物,再使氧化石墨烯還原成石墨烯,得到石墨烯包覆的二氧化硅復(fù)合物,再除去二氧化硅模板,得到石墨烯包覆的介孔碳基金屬氧化物。該復(fù)合物展現(xiàn)出優(yōu)良的電化學(xué)性質(zhì),作為鋰離子電池或超級(jí)電容器的電極材料,具有較高的充放電容量,循環(huán)性能和倍率性能。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明制備的石墨烯包覆介孔碳基氧化鎳的X射線衍射(XRD)圖;
[0020]圖2是本發(fā)明制備的石墨烯包覆介孔碳基氧化鎳的掃描電子顯微鏡(SEM)圖;
[0021]圖3是本發(fā)明制備的石墨烯包覆介孔碳基氧化鎳的透射電子顯微鏡(TEM)圖;
[0022]圖4是本發(fā)明制備的石墨烯包覆介孔碳基氧化鎳的電池循環(huán)性能圖。
【具體實(shí)施方式】[0023]本發(fā)明中涉及的介孔碳基金屬氧化物包括所有可以通過(guò)介孔二氧化硅為模板制備的金屬氧化物,涉及的氧化石墨烯制備方法包括所有制備氧化石墨烯的方法,涉及的還原劑包括所有能使氧化石墨烯還原成石墨烯的還原劑,涉及的硅烷偶聯(lián)劑包括所有含氨基的娃燒偶聯(lián)劑。
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明是如何實(shí)現(xiàn)的做進(jìn)一步詳細(xì)、清楚、完整地說(shuō)明,所列實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步的說(shuō)明,并不因此而限制本發(fā)明:
[0025]實(shí)施例1:
[0026]I)制備介孔二氧化硅SBA-15模板
[0027]將4.0g三嵌段共聚物P123 (EO2qPO7qEO2q)溶解于130mL去離子水和20mL鹽酸(37%, HCl)混液中;在35?40°C水浴條件下滴加8.5g正硅酸乙酯(TEOS);攪拌24小時(shí)后,在100?130°C恒溫2?3天;過(guò)濾、洗滌、干燥后,在550°C加熱5小時(shí),冷卻至室溫后,即得SBA-15模板。
[0028]2)向SBA-15孔道內(nèi)填充碳基氧化鎳(NiO)
[0029]將Ig鹿糖、2g硝酸鎳、0.1g濃硫酸溶解到IOmL去離子水中,再加入Ig SBA-15,混合均勻后在100°C干燥6小時(shí),再在160°C干燥6小時(shí);將固體產(chǎn)物研磨后加入到含有0.5g蔗糖、Ig硝酸鎳、0.05g濃硫酸的IOmL水溶液中,混勻后在100°C干燥6小時(shí),再在160°C干燥6小時(shí);將固體產(chǎn)物在氮?dú)獗Wo(hù)下,900°C加熱3小時(shí),得到孔道內(nèi)填充碳基氧化鎳的二氧化硅(SBA-15-C-NiO)。
[0030]3) SBA-15表面氨基化
[0031]將0.1g孔道內(nèi)含有碳基氧化鎳的SBA-15加入到含有0.5mL氨丙基三乙氧基硅烷的40mL正己烷中,70°C回流12小時(shí);冷卻后離心、洗滌、干燥,得到表面氨基化的SBA-15-C-NiO。
[0032]4)制備氧化石墨烯
[0033]采用Hummers法制備氧化石墨烯,將230mL硫酸(98%,H2SO4)和5g硝酸鈉(NaNO3)混合后,冰浴冷卻;溫度為0°c時(shí),攪拌下加入IOg石墨;混合4?5小時(shí)后,慢慢加入30g高錳酸鉀(KMnO4) ;35°C反應(yīng)2小時(shí),加入480mL去離子水稀釋?zhuān)?8°C攪拌15分鐘,加入去離子水稀釋?zhuān)⒓尤?5mL雙氧水(30% ,H2O2);過(guò)濾,用1: 10(體積比)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0.5?I小時(shí)即可得氧化石墨烯溶液。
[0034]5)制備石墨烯包覆介孔碳基氧化鎳
[0035]將0.02g氧化石墨超聲分散在IOOmL水中,用稀氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值到8 ;將0.08g表面氨基化的SBA-15-C-NiO加入到IOOmL水中,超聲分散,用稀鹽酸調(diào)節(jié)懸浮液PH值到6 ;將氧化石墨烯溶液滴加到SBA-15-C-NiO懸浮液中,攪拌2小時(shí);在氮?dú)獗Wo(hù)下,加入0.2g維生素C(VC),室溫?cái)嚢?4小時(shí);離心、洗滌、干燥,得到石墨烯包覆的SBA-15-C-NiO ;將固體產(chǎn)物加入到2mol/L的氫氧化鈉(NaOH)溶液中,80°C反應(yīng)4小時(shí);離心、洗滌、干燥,得到石墨烯包覆的介孔碳基氧化鎳。
[0036]樣品的XRD譜圖見(jiàn)圖1,證明制備的樣品含有碳和氧化鎳;包覆后的樣品的SEM照片見(jiàn)圖2,證明介孔碳基氧化鎳被石墨烯完全包覆,得到的是復(fù)合材料;包覆后的樣品的TEM照片見(jiàn)圖3,證明碳基氧化鎳具有介孔結(jié)構(gòu),同時(shí)被石墨烯完全包覆。[0037]5)電化學(xué)性質(zhì)測(cè)試
[0038]將無(wú)包覆的介孔碳基氧化鎳和石墨烯包覆的介孔碳基氧化鎳分別進(jìn)行電化學(xué)性質(zhì)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)包覆了石墨烯的介孔碳基氧化鎳具有更高的充放電容量,倍率性能和循環(huán)性能(見(jiàn)圖4)。
[0039]實(shí)施例2:
[0040]I)制備介孔二氧化硅KIT-6模板
[0041]將3.0g三嵌段共聚物P123溶解于115mL去離子水和5mL鹽酸(37%,HCl)混液中;在35?40°C水浴條件下滴加3.0g 丁醇,反應(yīng)I小時(shí),滴加6.45g正硅酸乙酯(TEOS);攪拌24小時(shí)后,在100?130°C恒溫2?3天;過(guò)濾、洗滌、干燥后,在550°C加熱5小時(shí),冷卻至室溫后,即得KIT-6模板。
[0042]2)向KIT-6孔道內(nèi)填充碳基氧化銅(CuO)
[0043]將Ig鹿糖、3g硝酸銅、0.1g濃硫酸溶解到IOmL去離子水中,再加入Ig KITUg合均勻后在100°C干燥6小時(shí),再在160°C干燥6小時(shí);將固體產(chǎn)物研磨后加入到含有0.5g蔗糖、1.5g硝酸銅、0.05g濃硫酸的IOmL水溶液中,混勻后在100°C干燥6小時(shí),再在160°C干燥6小時(shí);將固體產(chǎn)物在氮?dú)獗Wo(hù)下,800°C加熱3小時(shí),得到孔道內(nèi)填充碳基氧化銅的二氧化硅(KIT-6-C-CuO)。
[0044]3)ΚΙΤ_6表面氨基化
[0045]將0.1g孔道內(nèi)含有碳基氧化銅的ΚΙΤ-6加入到含有0.8mL氨丙基三甲氧基硅烷的40mL正己烷中,室溫?cái)嚢?4小時(shí);冷卻后離心、洗滌、干燥,得到表面氨基化的KIT-6-C-CuO。
[0046]4)制備氧化石墨烯
[0047]采用改進(jìn)Hummers法制備氧化石墨烯,將12mL硫酸(98%, H2SO4)、2.5g過(guò)硫酸鉀(K2S2O8)和2.5g五氧化二磷(P2O5)混合,80°C下加入3g石墨,攪拌4?5小時(shí);冷卻至室溫,用去離子水稀釋?zhuān)o置過(guò)夜;將預(yù)氧化的石墨緩慢加入到0°C的120mL濃硫酸中,再緩慢加入15g高錳酸鉀(KMnO4),35°C攪拌2?4小時(shí);用480ml去離子水稀釋后,加入2OmL雙氧水(30%,H2O2);過(guò)濾,用1: 10(體積比)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0.5?I小時(shí)即可得氧化石墨烯溶液。
[0048]5)制備石墨烯包覆介孔碳基氧化銅
[0049]將0.02g氧化石墨超聲分散在IOOmL水中,用稀氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值到9 ;將
0.12g表面氨基化的KIT-6-C-CuO加入到IOOmL水中,超聲分散,用稀鹽酸調(diào)節(jié)懸浮液pH值到5 ;將氧化石墨烯溶液滴加到KIT-6-C-CuO懸浮液中,攪拌2小時(shí);轉(zhuǎn)移到水熱釜中,在180°C烘箱中反應(yīng)12小時(shí);冷卻、離心、洗滌、干燥,得到石墨烯包覆的KIT-6-C-CuO ;將固體產(chǎn)物加入到5wt%的氫氟酸(HF)溶液中,室溫反應(yīng)2小時(shí);離心、洗滌、干燥,得到石墨烯包覆的介孔碳基氧化銅。
[0050]樣品的XRD譜圖證明制備的樣品含有碳和氧化銅;包覆樣品的TEM照片和SEM照片證明介孔碳基氧化銅被石墨烯完全包覆,得到的是復(fù)合材料;對(duì)比無(wú)包覆和石墨烯包覆的介孔碳基氧化銅的電化學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)石墨烯包覆的介孔碳基氧化銅具有更好的電化學(xué)性質(zhì)。
[0051]以上對(duì)本發(fā)明的描述是說(shuō)明性的,而非限制性的,本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解,在權(quán)利要求限定的精神與范圍之內(nèi)可對(duì)其進(jìn)行許多修改、變化或等效,但是它們都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物,其制備方法包括: 1)制備介孔二氧化硅模板; 2)向二氧化硅模板孔道內(nèi)填充碳基金屬氧化物; 3)二氧化硅模板表面氨基化; 4)制備氧化石墨烯; 5)通過(guò)自組裝制備氧化石墨烯包覆孔道內(nèi)含有碳基金屬氧化物的二氧化硅; 6)將氧化石墨烯還原成石墨烯; 7)除去二氧化硅模板; 8)離心、洗滌、干燥,得到石墨烯包覆介孔碳金屬氧化物樣品,其特征在于:石墨烯尺寸在IymXlym~5μπιΧ5μπι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0.1~0.8cmVg°
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,所述介孔二氧化硅模板包括各種孔道結(jié)構(gòu)的介孔二氧化硅:SBA-15,KIT-6, FDU-12, SBA-16。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,所述向二氧化硅模板孔道內(nèi)填充碳基金屬氧化物的過(guò)程包括以下步驟: 1)將Ig二氧化娃模板加入到含有Ig鹿糖、I~5g金屬無(wú)機(jī)鹽、0.1g濃硫酸的IOmL水溶液中,混合均勻后在100°C干燥6小時(shí),再在160°C干燥6小時(shí); 2)將上述產(chǎn)物研磨后加入到含有0.5g鹿糖、0.5~2.5g金屬無(wú)機(jī)鹽、0.05g濃硫酸的IOmL水溶液中,混勻后在100°C干燥6小時(shí),再在160°C干燥6小時(shí); 3)將上述產(chǎn)物在惰性氣體保護(hù)下,700~900°C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; 4)如果反應(yīng)物中不含蔗糖和濃硫酸,得到的是孔道內(nèi)填充金屬氧化物的二氧化硅,如果反應(yīng)物中不含金屬無(wú)機(jī)鹽,得到的是孔道內(nèi)填充碳的二氧化硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,所述二氧化硅模板表面氨基化過(guò)程為:將0.1g孔道內(nèi)含有碳基金屬氧化物的二氧化硅加入到含有0.5-lmL硅烷偶聯(lián)劑的40mL正己烷中,70°C回流12小時(shí),或室溫反應(yīng)24小時(shí),冷卻后離心、洗滌、干燥;所用硅烷偶聯(lián)劑包括所有含氣基的硅烷偶聯(lián)劑:氣丙基二乙氧基硅烷,氣丙基二甲氧基硅烷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,所述氧化石墨烯的制備方法包括所有制備氧化石墨烯的方法:Hummers法,Brodie法,Staudenmaier法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,所述氧化石墨烯包覆孔道內(nèi)含有碳基金屬氧化物的二氧化硅的制備過(guò)程包括以下步驟: 1)將0.01~0.1g氧化石墨烯加入到IOOmL水中,超聲分散后得氧化石墨烯溶液,將0.1~Ig氨基化的、孔道內(nèi)含有碳基金屬氧化物的二氧化硅加入到IOOmL水中配成懸浮液; 2)用稀堿調(diào)節(jié)氧化石墨烯溶液的pH值在7~10范圍內(nèi),用稀酸調(diào)節(jié)二氧化硅復(fù)合物懸浮液的PH值在4~7范圍內(nèi); 3)將氧化石墨烯溶液滴加到二氧化硅復(fù)合物懸浮液中,攪拌2-5小時(shí),氧化石墨烯和二氧化硅復(fù)合物的質(zhì)量比為1:1~1: 10 ; 4)離心、洗滌、干燥。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,所述氧化石墨烯的還原方法包括:加入還原劑,水熱還原,熱還原;還原劑種類(lèi)包括所有可以使氧化石墨烯還原成石墨烯的還原劑:維生素C,水合肼,硼氫化鈉,金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,所述除去二氧化硅模板的方法包括:在NaOH溶液除去二氧化硅,在HF溶液中除去二氧化硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,所述介孔碳基金屬氧化物具有不同的孔道結(jié)構(gòu),其孔道結(jié)構(gòu)和選用的模板種類(lèi)有關(guān),其中金屬氧化物的種類(lèi)包括所有可填充到二氧化硅模板孔道內(nèi)的金屬氧化物:Co304,CoO, CuO, Fe2O3, Fe3O4, FeO, NiO, MnO2, Mn2O3,MoO2, SnO2, TiO2, V2O5, ZnO,介孔碳基金屬氧化物中金屬氧化物的含量在O~100wt%,也可以是不含金屬氧化物的介孔碳或不含碳的介孔金屬氧化物。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯包覆介孔碳基金屬氧化物,其用途包括:鋰離子電池的電極材料,超級(jí)電容器的電極材料。
【文檔編號(hào)】H01M4/38GK103647064SQ201310700927
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】岳文博 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)