CN102544445A - 一种负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电化学能源领域，其公开了一种负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料的制备方法，包括步骤：硅纳米颗粒的制备；氧化石墨的制备；氧化石墨烯溶液的制备；氧化石墨烯与纳米硅颗粒混合溶液的制备；负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料。通过该方法制备出的复合材料中，在石墨烯的表面上负载的纳米硅颗粒不会产生团聚，这有利于纳米硅颗粒的性能的发挥，且纳米硅颗粒和石墨烯导电率都较高，使得复合材料的也具有较高的导电性。

Description

一种负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及电化学能源领域，尤其涉及一种负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料的制备方法。
背景技术
英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等在2004年制备出石墨烯材料，由于其独特的结构和光电性质受到了人们广泛的重视。单层石墨由于其大的比表面积，优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数而被认为是理想的材料。如：1，高强度，杨氏摩尔量，(1,100GPa)，断裂强度：(125GPa)；2，高热导率，(5,000W/mK)；3，高导电性、载流子传输率，(200,000cm2/V*s)；4，高的比表面积，(理论计算值：2,630m2/g)。尤其是其高导电性质，大的比表面性质和其单分子层二维的纳米尺度的结构性质，可在超级电容器和锂离子电池中用作电极材料。到目前为止，所知道的制备石墨烯的方法有多种，如：(1)微机械剥离法。这种方法只能产生数量极为有限石墨烯片，可作为基础研究；(2)超高真空石墨烯外延生长法。这种方法的高成本以及小圆片的结构限制了其应用；(3)化学气相沉积法(CVD)。此方法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。(4)溶剂剥离法。此方法缺点是产率很低，限制它的商业应用；(5)氧化-还原法。此方法是最简单可大量获得石墨烯的一种普遍方法，整个过程涉及到将石墨氧化成氧化石墨，氧化石墨剥落产生的石墨烯氧化物，再通过化学试剂或热还原为石墨烯。此方法合成的石墨烯最终氧含量较高，纯度不够；氧原子的存在对于石墨烯用作电极材料的电压有一定的影响。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1、制备硅纳米颗粒；
2、根据Hummers法，将石墨，如石墨片进行氧化反应，制得氧化石墨；
3、将上述制得的氧化石墨加入水中，超声分散后，形成以单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液；
4、将纳米硅颗粒加入到上述氧化石墨烯溶液中，室温搅拌1～24h，得到均匀分散的混合溶液；其中所述纳米硅颗粒与石墨烯的质量比为1∶1～20；
5、将上述混合溶液在真空干燥箱中以80～120℃干燥1～24h，真空干燥除去溶剂，得到干燥的粉末，将该粉末放入通有惰性气体的管式炉中以10℃/min缓慢速度升温至300～800℃加热1～12h，随后将所述粉末冷却至室温；接着向管式炉中通入还原气体(如，氢气，或者体积比为1～30％∶1的氢气与惰性气体的混合气体，且惰性气体为氩气、氮气、氦气或氖气)5-10min，控制还原气体的流量在60ml/min，将管式炉中的空气排出，形成还原气氛，然后将温度升温至600～1200℃，在此温度下保持加热1～10h，还原完毕后，在还原气氛下冷却至室温，得到负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料。
上述制备方法中，所述硅纳米颗粒采用如下步骤制得：
将硅粉置于球磨机中，调整球磨转速为450转/分钟，球磨时间3h。
上述制备方法中，所述氧化石墨制备步骤中，还包括如下步骤：
①、将石墨、过硫酸钾和五氧化二磷分别加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥，得到样品；
②、将干燥后的样品加入0℃的200-250mL浓硫酸中，再加入高锰酸钾，并在0-20℃保温5-60分钟，然后在35℃的油浴中保持1-2h后，缓慢加入含双氧水的去离子水，得到混合物；
③、待上述混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h，即得到氧化石墨。
本发明具有如下有益效果：
1)通过该方法制备出的复合材料中，纳米级硅能够很好的分散在石墨烯的片层之间；
(2)本复合材料由于石墨烯的高导电性能够很好的将电子传导到单质硅上，提高了导电性，能够充分发挥了硅的高容量特性，适合作为锂离子电池的负极材料；
(3)该方法制备的复合材料具有很高的比表面积，也广泛适用与催化领域的应用；
(4)工艺流程简单，反应时间短。
附图说明
图1是本发明负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料制备工艺流程图；
图2为实施例1中得到的复合材料组装成模拟电池进行的充放电测试曲线。
具体实施方式
本发明提供的一种负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料的制备方法，首先通过将天然鳞片石墨氧化成氧化石墨，再将氧化石墨在水中超声分散转变为氧化石墨烯，再将球磨后的硅颗粒加入水中搅拌混合，混合均匀后，真空干燥除去溶剂，将氧化石墨烯和球磨后的硅颗粒的混合物放入通入惰性气体保护的管式炉中加热至600-1200℃，之后在通入氢气加热至600-1200℃，进行再次还原。
本发明提供高一种新型的碳材料的制备工艺流程如下：
天然鳞片石墨→氧化石墨→纳米硅颗粒与石墨烯混合物→负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料。
如图1所示，具体制备工艺步骤如下：
1、纳米硅的制备：首先在充满氮气的手套箱中将一定量的硅粉末按约20∶1的球料比，置于80ml不锈钢制球磨容器中，球磨罐用O型圈密封，然后移出手套操作箱，置于研磨仪上。调整球磨转速为450转/分钟，球磨时间1～10h，每球磨一小时休息20分钟；
2、氧化石墨的制备：利用石墨片，如，纯度99.5％的天然鳞片石墨，通过Hummers法，制备氧化石墨；
3、氧化石墨烯溶液的制备：将制备出来的氧化石墨加入到水中超声分散，形成以单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液；
4、氧化石墨烯与纳米硅颗粒混合溶液的制备：将纳米硅颗粒加入到上述氧化石墨烯溶液中，室温搅拌1～24h，得到均匀分散的混合溶液；其中，所述纳米硅颗粒M与石墨烯的质量比为1∶1～20；
5、负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料：将上述混合溶液在真空干燥箱中以80～120℃干燥1～24h，真空干燥除去溶剂，得到干燥的粉末，将该粉末放入通有惰性气体的管式炉中以10℃/min缓慢速度升温至300～800℃加热1～12h，随后冷却至室温；接着向管式炉中通入还原气体(如，氢气，或者体积比为1～30％∶1的氢气与惰性气体的混合气体，且惰性气体为氩气、氮气、氦气或氖气)5-10min，控制还原气体的流量在60ml/min，将管式炉中的空气排出，形成还原气氛，然后将温度升温至600～1200℃，在此温度下保持加热1～10h，还原完毕后，在还原气氛下冷却至室温，得到负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料。
其中，所述氧化石墨制备步骤中，还包括如下步骤：
①、将石墨、过硫酸钾和五氧化二磷分别加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥，得到样品；
②、将干燥后的样品加入0℃的200-250mL浓硫酸中，再加入高锰酸钾，并在0-20℃保温5-60分钟，然后在35℃的油浴中保持1-2h后，缓慢加入含双氧水的去离子水，得到混合物；
③、待上述混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h，即得到氧化石墨。
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供高纯度的石墨烯与非晶态碳复合材料的制备工艺流程如下：
(1)硅纳米颗粒的制备：首先在充满氮气的手套箱中将一定量的硅粉末按约20∶1的球料比，置于80ml不锈钢制球磨容器中，球磨罐用O型圈密封，然后移出手套操作箱，置于研磨仪上。调整球磨转速为450转/分钟，球磨时间3h，每球磨一小时休息20分钟。
(2)天然鳞片石墨：纯度99.5％。
(3)氧化石墨：通过改进的Hummers法制备氧化石墨。其具体步骤为将20g 50目石墨片、10g过硫酸钾和10g五氧化二磷加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥。将干燥后的样品加入0℃、230mL的浓硫酸中，再加入60g高锰酸钾，混合物的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持2h后，缓慢加入920mL去离子水。15min后，再加入2.8L去离子水(其中含有50mL浓度为30％的双氧水)，之后混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h即得到氧化石墨。
(4)氧化石墨烯与纳米硅颗粒的混合溶液：将制备出来的氧化石墨加入到水中超声分散，形成以单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液，蒸干溶剂至浆状，然后再将球磨后的硅加入到氧化石墨烯溶液中，按石墨烯与硅质量比10∶1的比例加入室温剧烈搅拌30min，得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合物。
(5)石墨烯与纳米硅颗粒复合材料：将(4)所得的混合物在真空干燥箱中以80℃干燥2h，除干溶剂，将最终粉末放入通有惰性气体的管式炉中以10℃/min缓慢速度升温至900℃加热1h，再将粉末随炉冷却至室温，先向管式炉中通入氢气5-10min，控制氢气的流量在60ml/min，将管式炉中的空气排出，然后将温度升温至900℃，在此温度下保持加热1h，还原完毕后，在氢气气氛下冷却至室温，得到石墨烯与纳米硅的复合材料。
图2为实施例1中得到的复合材料组装成模拟电池进行的充放电测试曲线；将实施例1得到的复合材料与导电剂、粘结剂混合，然后涂在泡沫镍上作为正极，金属锂片作为负极，按扣式电池的组装工艺进行组装成纽扣电池，进行充放电测试。测试条件为：充放电电流密度为0.2mA/cm2，截止电压的范围为0.02V～1.5V。从图中可以看出复合材料的首次不可逆容量为1584mAh/g，可逆容量为941mAh/g，五个循环后复合材料被电解液充分浸润，体系达到稳定状态，可逆容量上升为1210mAh/g。
实施例2
本实施例提供高纯度的石墨烯与非晶态碳复合材料的制备工艺流程如下：
(1)纳米硅的制备：首先在充满氮气的手套箱中将一定量的硅粉末按约20∶1的球料比，置于80ml不锈钢制球磨容器中，球磨罐用O型圈密封，然后移出手套操作箱，置于研磨仪上。调整球磨转速为450转/分钟，球磨时间7h，每球磨一小时休息20分钟。
(2)天然鳞片石墨：纯度99.5％。
(3)氧化石墨：通过改进的Hummers法制备氧化石墨。其具体步骤为将20g 50目石墨片、10g过硫酸钾和10g五氧化二磷加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥。将干燥后的样品加入0℃、200mL的浓硫酸中，再加入60g高锰酸钾，混合物的温度保持在20℃以下保温5分钟，然后在35℃的油浴中保持1h后，缓慢加入920mL去离子水。15min后，再加入2.8L去离子水(其中含有50mL浓度为30％的双氧水)，之后混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h即得到氧化石墨。
(4)氧化石墨烯与纳米硅颗粒的混合溶液：将制备出来的氧化石墨加入到水中超声分散，形成以单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液，蒸干溶剂至浆状，然后再将球磨后的硅加入到氧化石墨烯溶液中，按石墨烯与硅质量比10∶1的比例加入室温剧烈搅拌30-60min，得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合物。
(5)石墨烯与纳米硅复合材料：将(4)所得的混合物在真空干燥箱中以80℃干燥2h，除干溶剂，将最终粉末放入通有惰性气体的管式炉中以10℃/min缓慢速度升温至900℃加热1h，再将粉末随炉冷却至室温，先向管式炉中通入氢气5-10min，控制氢气的流量在60ml/min，将管式炉中的空气排出，然后将温度升温至900℃，在此温度下保持加热1h，还原完毕后，在氢气气氛下冷却至室温，得到石墨烯与纳米硅的复合材料。
实施例3
本实施例提供高纯度的石墨烯与非晶态碳复合材料的制备工艺流程如下：
(1)纳米硅的制备：首先在充满氮气的手套箱中将一定量的硅粉末按约20∶1的球料比，置于80ml不锈钢制球磨容器中，球磨罐用O型圈密封，然后移出手套操作箱，置于研磨仪上。调整球磨转速为450转/分钟，球磨时间3h，每球磨一小时休息20分钟。
(2)天然鳞片石墨：纯度99.5％。
(3)氧化石墨：通过改进的Hummers法制备氧化石墨。其具体步骤为将20g 50目石墨片、10g过硫酸钾和10g五氧化二磷加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥。将干燥后的样品加入0℃、250mL的浓硫酸中，再加入60g高锰酸钾，混合物的温度保持在20℃以下保温60分钟，然后在35℃的油浴中保持2h后，缓慢加入920mL去离子水。15min后，再加入2.8L去离子水(其中含有50mL浓度为30％的双氧水)，之后混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h即得到氧化石墨。
(4)氧化石墨烯与纳米硅颗粒的混合溶液：将制备出来的氧化石墨加入到水中超声分散，形成以单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液，蒸干溶剂至浆状，然后再将球磨后的硅加入到氧化石墨烯溶液中，按石墨烯与硅质量比20∶1的比例加入，室温剧烈搅拌30min，得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合物。
(5)石墨烯与纳米硅颗粒复合材料：将(4)所得的混合物在真空干燥箱中以80℃干燥2h，除干溶剂，将最终粉末放入通有惰性气体的管式炉中以10℃/min缓慢速度升温至900℃加热1h，再将粉末随炉冷却至室温，先向管式炉中通入氩气和氢气的混合气体5-10min，形成还原气氛，且混合气中氢气含量占10％，控制气体的流量在60ml/min，将管式炉中的空气排出，然后将温度升温至900℃，在此温度下保持加热3h，还原完毕后，在混合气还原气氛下冷却至室温，得到石墨烯与纳米硅的复合材料。
应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备纳米硅颗粒；
根据Hummers法，将石墨进行氧化反应，制得氧化石墨；
将上述制得的氧化石墨加入水中，超声分散后，形成以单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液；
将纳米硅颗粒加入到上述氧化石墨烯溶液中，室温搅拌，得到均匀分散的混合溶液；
将上述混合溶液干燥，除去溶剂后得到粉末，将该粉末置入惰性气体氛围下，进行预热处理，随后冷却至室温，接着于还原气氛下进行还原反应，还原完毕后，在还原气氛下冷却至室温，得到负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米硅颗粒采用如下步骤制得：
将硅粉置于球磨机中，调整球磨转速为450转/分钟，球磨时间3h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨制备步骤中，还包括如下步骤：
将石墨、过硫酸钾和五氧化二磷分别加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥，得到样品；
将干燥后的样品加入0℃的200-250mL浓硫酸中，再加入高锰酸钾，并在0-20℃保温5-60分钟，然后在35℃的油浴中保持1-2h后，缓慢加入含双氧水的去离子水，得到混合物；
待上述混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用盐酸进行洗涤、抽滤、干燥，即得到氧化石墨。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述高锰酸钾的加入量为石墨质量的3倍。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述双氧水的质量百分比浓度为30％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米硅颗粒与石墨烯的质量比为1∶1～20。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预热处理包括：以10℃/min的升温速度，缓慢升温至300～800℃，然后保温1～12h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述还原气氛为氢气还原气氛或者氢气和惰性气体的混合还原气氛。
9.根据权利要求1或8所述的制备方法，其特征在于，所述还原处理包括：600～1200℃，保温还原1～10h。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述还原气氛中，还原气体的流量为60ml/min。
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