CN103840179A - 表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极、制备方法和应用 - Google Patents
表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极、制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极,以三维多孔泡沫镍为基体,基体上直接生长石墨烯,所述的石墨烯上直接生长花状δ-MnO2,花状δ-MnO2上再负载纳米Au颗粒。本发明还公开了所述的表面包覆花状δ-MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极的制备方法和应用。制备工艺简单、成本低、周期短、能耗低等优点,适合大规模工业化生产;制备的三维石墨烯基复合电极不含任何导电剂和粘结剂,由于特殊的三维多孔结构以及花状δ-MnO2、纳米Au颗粒和石墨烯的协同催化作用,将所述的三维石墨烯基复合电极用作锂-空电池正极时,显示出低的极化和较好的循环稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及锂-空电池用复合电极领域,具体涉及一种表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极、制备方法和应用。
背景技术
锂-空电池是一种以金属锂为负极,空气(或氧气)为正极的电池,锂离子导体为电解质的新型储能装置。锂-空电池的理论能量密度高达11680Wh/kg(不包括O2,若包括O2,则为5200Wh/kg)。考虑到催化剂、电解质、电池包装等的重量,锂-空电池的实际可得能量密度约为1700Wh/kg,该值可与汽油的能量密度相当,远高于镍-氢(50Wh/kg)、锂离子(160Wh/kg)、锂-硫(370Wh/kg)、锌-空(350Wh/kg)电池的能量密度。
锂-空电池由于其高的能量密度,在车用动力电池以及电网的储备电源等领域具有重要的应用前景。正因为锂-空电池具有非常重要的应用前景,世界上一些著名公司和科研机构启动了锂空电池的研究。如美国IBM公司启动了“Battery500Project”研究计划,该计划的最终目标是将锂-空电池用于汽车,该研究计划中“500”代表每次充电汽车行驶500英里(800公里)。
影响锂-空电池性能的因素很多,但催化剂的成分与结构是关键因素。最近,各种新型催化剂如贵金属M(M=Ru,Au,Pd,Pt)、PtAu、MnO2、MnO2/Ti、MnO2/Pd、MoN/石墨烯、MnCo2O4/石墨烯等被开发。对于催化剂成分,相对于金属氧化物(如Fe2O3、MnO2)催化剂,贵金属催化剂具有其独特的性能优势,是锂-空电池空气极最为理想的催化剂。但贵金属催化剂成本比较高,因此减少贵金属的使用量是今后催化剂发展的趋势,其中将贵金属负载于金属氧化物上是其中的方法之一。
对于催化剂设计而言,催化剂载体的成分与结构也是重要的一环,较理想的基体材料是碳材料。在各种碳材料中,石墨烯因为其高的电导率、高的机械强度、大的比表面积剂及孔隙率,是非常理想的基体材料。
现有技术中以石墨烯作为基体材料制备复合材料的报道已有很多,但用作锂-空电池催化剂载体的报道很少,如公开号为CN102423703A的中国专利申请公开了一种用于锂-空电池的石墨烯-铂纳米复合催化剂及其制备方法,该纳米复合催化剂由石墨烯和铂纳米颗粒组成,以固体铂为靶材,采用液相脉冲激光烧蚀技术,在石墨烯上生长纳米铂颗粒。该复合催化材料具有良好的催化性能,并且具有较小的极化及优异的循环稳定性。
因此,开发石墨烯基复合催化材料具有广阔的应用前景。但目前还没有三维石墨烯基复合电极材料作为锂-空电池催化剂的相关报道。
发明内容
本发明提供了一种表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极、制备方法和应用。制备工艺简单,能耗低、成本低,适合于大规模工业化生产;制备得到的表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极具有高容量、低过电位和高循环稳定性,将其应用于锂-空电池空气电极中,可用来提高锂-空电池的电化学性能,特别是降低过电位及提高循环稳定性。
本发明公开了一种表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极,以三维多孔泡沫镍为基体,基体上直接生长石墨烯,所述的石墨烯上直接生长花状δ-MnO2,花状δ-MnO2上再负载纳米Au颗粒。
本发明以三维多孔泡沫镍为基体,通过CVD法在基体上直接制备石墨烯,所述的石墨烯复制了泡沫镍的三维多孔结构;再通过水热法在三维石墨烯表面生长花状δ-MnO2,最后通过浸渍法直接在花状δ-MnO2表面负载Au纳米颗粒。石墨烯、花状δ-MnO2和Au具有协同催化作用,作用机制为:石墨烯虽然具有一定的催化作用,但相比于花状δ-MnO2和Au较弱,在催化过程中主要为花状δ-MnO2和Au的催化提供导电作用;花状δ-MnO2虽然自身具有较好的催化作用,即放电产物Li2O2在其表面较易形成和分解,具有较低的过电位,但形成的Li2O2颗粒较大,充电时不易分解,造成充电过电位较高;Au的加入除了也对Li2O2的形成和分解起到催化作用外,由于Au吸附O2的能力比花状δ-MnO2强,可以改变Li2O2的结晶行为,即降低Li2O2的尺寸,在充电时使Li2O2更易分解,可进一步降低充电过电位。
所述的直接生长是指:首先通过CVD法,直接在泡沫镍的骨架上制备石墨烯;然后在水热条件下,直接将花状δ-MnO2生长于石墨烯上;最后通过浸渍法,直接在花状δ-MnO2表面负载Au纳米颗粒;与之相对,非直接生长是指预先合成石墨烯、花状δ-MnO2及Au纳米颗粒,再将三种原料和粘结剂在有机溶剂中混合均匀、搅拌成浆料后,涂布于泡沫镍基体上。
花状δ-MnO2具有更高的比表面积,高的比表面积有利于O2和锂离子的扩散和Li2O2的沉积。作为优选,所述花状δ-MnO2的比表面积为100~120m2g–1,直径为5~10μm,花状δ-MnO2中单片δ-MnO2厚度仅为3~4nm,较薄的单片δ-MnO2有利于δ-MnO2自身导电性能的提高。
所述Au颗粒的直径为20~60nm。
作为优选,所述的三维石墨烯基复合电极材料中花状δ-MnO2的承载量为0.5~1.5mg/cm2。花状δ-MnO2的承载量过少,催化效果不理想;承载量过多,部分材料不被利用而造成材料的浪费,同时因为催化反应一般仅发生在电极表面的材料上,承载量过多也会造成比容量的下降。
作为优选,所述的三维石墨烯基复合电极材料中Au的承载量为0.1~0.5mg/cm2。Au的加入量过低,改变Li2O2的结晶行为的能力较弱,协同催化效果不理想。而加入量过高,会造成Au颗粒团聚,由于催化作用主要发生Au在表面,必然造成Au的利用效率的降低;另外,由于电池容量与Au加入量没有线性关系,过多的加入Au会造成比容量的下降及催化剂成本的增加,因此,将Au的含量控制在上述范围内较合理。
作为优选,所述的三维石墨烯基复合电极材料中石墨烯的承载量为0.5~1.5mg/cm2。石墨烯在催化过程中主要为花状δ-MnO2和Au的催化提供导电作用,石墨烯含量过低不利于导电性能的提高,而过高的含量对导电性能的提高不产生作用,而且会造成比容量的下降。因此,将石墨烯的含量控制在上述范围内较合理。
本发明还公开了所述的表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极的制备方法,包括以下步骤:
1)以三维多孔泡沫镍为基体,通过化学气相沉积法,直接在基体上生长石墨烯,记为Ni/3D-G;
具体为:将三维多孔泡沫镍放入管式炉中,在Ar气氛下升温至1000℃,保温后,再用Ar气流将乙醇引入石英管内,反应3~10min;最后,在Ar气氛下冷却至室温,得到生长在泡沫镍基体上的三维石墨烯;
2)将KMnO4和浓H2SO4溶于去离子水,搅拌均匀得到混合溶液,所述混合溶液中K+浓度为0.005~0.02mol/L;将步骤1)得到的Ni/3D-G浸入混合溶液,经70~120℃水热反应1~5h,再经洗涤、干燥后得到负载有锰的氢氧化物的Ni/3D-G;
所述浓H2SO4与KMnO4的摩尔比为0.25~1.0;
3)氩气气氛下,将步骤2)得到的负载有锰的氢氧化物的Ni/3D-G在200~500℃下焙烧1~4h,冷却后得到Ni/3D-G/δ-MnO2;
4)将含金的可溶性化合物与水混合,得到浓度为1~10mmol/L的溶液,将步骤3)得到的Ni/3D-G/δ-MnO2浸入所述的溶液中,浸泡10~24h后,再经洗涤、干燥得到所述的表面包覆花状δ-MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极。
作为优选,步骤2)所述的水热反应温度为70~95℃;步骤3)所述的焙烧温度为200~400℃。
作为优选,所述的含金的可溶性化合物为HAuCl4、NaAuCl4、KAuCl4或所述任意一种含金的可溶性化合物的水合物。
所述的冷却的温度并没有严格的限定,以适宜操作为主,一般可冷却至15~30℃的环境温度。
本发明还公开了所述的表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极在作为锂-空电池的空气电极中的应用。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
1、本发明制备的表面包覆花状δ-MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极中,石墨烯、花状δ-MnO2及Au为直接生长于泡沫镍基体上,不用其他导电剂和粘结剂,具有工艺简单、成本低、周期短、能耗低及适合工业化生产等优点;
2、本发明制备的表面包覆花状δ-MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极中石墨烯、花状δ-MnO2和Au具有协同催化作用,有利于催化性能的提高,从而可有效降低锂-空电池的过电位;
3、与传统的电极浆料涂布工艺相比,直接生长法可保持集电极泡沫镍原有的三维多孔结构,该结构有利于氧气的传输,电极的润湿及放电产物的沉积,从而提高锂-空电池的循环稳定性。
附图说明
图1为实施例1制备的三维石墨烯基复合电极表面物质的X射线衍射图谱;
图2为实施例1制备的Ni/3D-G的拉曼(Raman)光谱图;
图3为实施例1制备的三维石墨烯基复合电极的低倍扫描电镜照片;
图4为实施例1制备的三维石墨烯基复合电极的高倍扫描电镜照片;
图5为以实施例1制备的三维石墨烯基复合电极作为正极的锂-空电池的充放电曲线图;
图6为以对比例1制备的Ni/3D-G电极作为正极的锂-空电池的充放电曲线图;
图7为以对比例2制备的Ni/3D-G/δ-MnO2复合电极作为正极的锂-空电池的充放电曲线图。
具体实施方式
实施例1
将泡沫镍放入管式炉中,在Ar(500s.c.c.m.)气氛下以100℃/分钟的升温速度升温至1000℃;保温5分钟后,用Ar(250s.c.c.m.)气流将乙醇引入石英管内,反应5分钟;最后,在Ar气氛下以100℃/分钟的降温速度冷却至室温,得到生长在泡沫镍基体上的三维石墨烯(Ni/3D-G),其中石墨烯的承载量0.85mg/cm2;将KMnO4和96wt%H2SO4(摩尔量KMnO4的0.25)溶于去离子水,搅拌均匀,制备以K+计浓度为0.01mol/L的溶液。将Ni/3D-G作为基体,浸入上述溶液,再转移入反应釜中,密闭后在85℃的烘箱中保温2小时,然后用去离子水和无水酒精冲洗数次,在60℃的烘箱真空干燥12小时后得到负载于Ni/3D-G的锰的氢氧化物;将所得负载有锰的氢氧化物的Ni/3D-G在Ar气氛下300℃下焙烧2小时,然后冷却至室温得到承载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2电极,其中δ-MnO2的承载量为0.875mg/cm2;将上述承载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2电极浸入HAuCl4·3H2O的水溶液中(浓度以[AuCl4]–计为5mmol/L),浸泡24小时后,先后用去离子水和无水乙醇冲洗数次,在60℃下真空干燥12小时后得到承载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2/Au复合电极(Ni/3D-G/δ-MnO2/Au),其中Au的承载量为0.437mg/cm2。
图1为本实施例制备的Ni/3D-G/δ-MnO2/Au电极经超声振荡后剥离下来的物质的X射线衍射谱,该物质可归结为δ-MnO2。
图2为制备的Ni/3D-G的Raman光谱,较强的2D峰表明石墨烯为少数层结构。
图3和图4分别为本实施例制备的负载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2/Au电极的低倍和高倍扫描电镜,从照片可知δ-MnO2呈现花状结构,直径为5微米~10微米,并且均匀负载于三维石墨烯上,金颗粒大小为20纳米~60纳米,并且均匀负载于花状δ-MnO2上。
以本实施例制备的负载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2/Au作为正极,以金属锂为负极,聚丙烯薄膜(牌号Celgard C380,美国Celgard公司)为隔膜,LiClO4的1,2-二甲氧基乙烷(DME)溶液为电解液,在充满氩气的手套箱中装配电池。经通入1大气压的氧气后,进行充放电测试,充放电曲线如图5所示。
恒电流充放电测试(电流密度800mA/g,电压范围2V~4.5V,其中容量和电流密度均基于石墨烯重量)表明,经过50次充放电,该锂-空电池的容量保持在1500mAh/g,并且显示出较低的极化。
对比例1
将泡沫镍放入管式炉中,在Ar(500s.c.c.m.)气氛下以100℃/分钟的升温速度升温至1000℃;保温5分钟后,用Ar(250s.c.c.m.)气流将乙醇引入石英管内,反应5分钟;最后,在Ar气氛下以100℃/分钟的降温速度冷却至室温,得到生长在泡沫镍基体上的三维石墨烯(Ni/3D-G),其中石墨烯的承载量0.85mg/cm2。
以本对比例制备的负载于泡沫镍上的3D-G作为正极,以金属锂为负极,聚丙烯薄膜(牌号Celgard C380,美国Celgard公司)为隔膜,LiClO4的1,2-二甲氧基乙烷(DME)溶液为电解液,在充满氩气的手套箱中装配电池。经通入1大气压的氧气后,进行充放电测试,充放电曲线如图6所示。在较宽的电压范围2V~4.5V内循环,其容量也不足400mAh/g,并且显示出较快的容量衰减。
对比例2
将泡沫镍放入管式炉中,在Ar(500s.c.c.m.)气氛下以100℃/分钟的升温速度升温至1000℃;保温5分钟后,用Ar(250s.c.c.m.)气流将乙醇引入石英管内,反应5分钟;最后,在Ar气氛下以100℃/分钟的降温速度冷却至室温,得到生长在泡沫镍基体上的三维石墨烯(Ni/3D-G),其中石墨烯的承载量0.85mg/cm2;将KMnO4和96wt%H2SO4(摩尔量KMnO4的0.25)溶于去离子水,搅拌均匀,制备以K+计浓度为0.01mol/L的溶液。将Ni/3D-G作为基体,浸入上述溶液,再转移入反应釜中,密闭后在85℃的烘箱中保温2小时,然后用去离子水和无水酒精冲洗数次,在60℃的烘箱真空干燥12小时后得到负载有锰的氢氧化物的Ni/3D-G;将所得负载有锰的氢氧化物的Ni/3D-G在Ar气氛下300℃下焙烧2小时,然后冷却至室温得到承载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2电极,其中δ-MnO2的承载量为0.875mg/cm2。
以本对比例制备的负载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2作为正极,以金属锂为负极,聚丙烯薄膜(牌号Celgard C380,美国Celgard公司)为隔膜,LiClO4的1,2-二甲氧基乙烷(DME)溶液为电解液,在充满氩气的手套箱中装配电池。经通入1大气压的氧气后,进行充放电测试,充放电曲线如图7所示,经过仅10个循环,容量为1160mAh/g。
实施例2
将泡沫镍放入管式炉中,在Ar(500s.c.c.m.)气氛下以100℃/分钟的升温速度升温至1000℃;保温5分钟后,用Ar(250s.c.c.m.)气流将乙醇引入石英管内,反应3分钟;最后,在Ar气氛下以100℃/分钟的降温速度冷却至室温,得到生长在泡沫镍基体上的三维石墨烯(Ni/3D-G),其中石墨烯的承载量0.5mg/cm2;将KMnO4和96wt%H2SO4(摩尔量KMnO4的0.3)溶于去离子水,搅拌均匀,制备以K+计浓度为0.02mol/L的溶液。将Ni/3D-G作为基体,浸入上述溶液,再转移入反应釜中,密闭后在100℃的烘箱中保温1小时,然后用去离子水和无水酒精冲洗数次,在60℃的烘箱真空干燥12小时后得到负载有锰的氢氧化物的Ni/3D-G;将所得负载有锰的氢氧化物的Ni/3D-G在Ar气氛下400℃下焙烧1小时,然后冷却至室温得到承载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2电极,其中δ-MnO2的承载量为1.5mg/cm2。将上述承载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2电极浸入NaAuCl4·2H2O的水溶液中(浓度以[AuCl4]–计为10mmol/L),浸泡12小时后,先后用去离子水和无水乙醇冲洗数次,在60℃下真空干燥12小时后得到承载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2/Au复合电极,其中Au的承载量为0.424mg/cm2。
以本实施例制备的负载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2/Au作为正极,以金属锂为负极,聚丙烯薄膜(牌号Celgard C380,美国Celgard公司)为隔膜,LiClO4的1,2-二甲氧基乙烷(DME)溶液为电解液,在充满氩气的手套箱中装配电池。经通入1大气压的氧气后,进行充放电测试。
恒电流充放电测试(电流密度800mA/g,电压范围2V~4.5V,其中容量和电流密度均基于石墨烯重量)表明,经过50次充放电,该锂-空电池的容量保持在1450mAh/g,并且显示出较低的极化。
作为对比,采用实施例2中的制备方法制备负载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2,以该负载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2作为锂-空电池正极,进行电化学性能测试(氧气气氛下),经过仅10个循环,容量为1210mAh/g。
实施例3
将泡沫镍放入管式炉中,在Ar(500s.c.c.m.)气氛下以100℃/分钟的升温速度升温至1000℃;保温5分钟后,用Ar(250s.c.c.m.)气流将乙醇引入石英管内,反应10分钟;最后,在Ar气氛下以100℃/分钟的降温速度冷却至室温,得到生长在泡沫镍基体上的三维石墨烯(Ni/3D-G),其中石墨烯的承载量1.5mg/cm2;将KMnO4和96wt%H2SO4(摩尔量KMnO4的0.5)溶于去离子水,搅拌均匀,制备以K+计浓度为0.01mol/L的溶液。将Ni/3D-G作为基体,浸入上述溶液,再转移入反应釜中,密闭后在80℃的烘箱中保温3小时,然后用去离子水和无水酒精冲洗数次,在60℃的烘箱真空干燥12小时后得到负载于Ni/3D-G的锰的氢氧化物;将所得负载有锰的氢氧化物的Ni/3D-G在Ar气氛下300℃下焙烧2.5小时,然后冷却至室温得到承载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2电极,其中δ-MnO2的承载量为0.915mg/cm2。将上述承载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2电极浸入HAuCl4·3H2O的水溶液中(浓度以[AuCl4]–为计为1mmol/L),浸泡24小时后,先后用去离子水和无水乙醇冲洗数次,在60℃下真空干燥12小时后得到承载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2/Au复合电极,其中Au的承载量为0.103mg/cm2。
以本实施例制备的负载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2/Au作为正极,以金属锂为负极,聚丙烯薄膜(牌号Celgard C380,美国Celgard公司)为隔膜,LiClO4的1,2-二甲氧基乙烷(DME)溶液为电解液,在充满氩气的手套箱中装配电池。经通入1大气压的氧气后,进行充放电测试。
恒电流充放电测试(电流密度800mA/g,电压范围2V~4.5V,其中容量和电流密度均基于石墨烯重量)表明,经过50次充放电,该锂-空电池的容量保持在1250mAh/g,并且显示出较低的极化。
作为对比,采用实施例2中的制备方法制备负载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2,以该负载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2作为锂-空电池正极,进行电化学性能测试(氧气气氛下),经过仅10个循环,容量为1080mAh/g。
实施例4
将泡沫镍放入管式炉中,在Ar(500s.c.c.m.)气氛下以100℃/分钟的升温速度升温至1000℃;保温5分钟后,用Ar(250s.c.c.m.)气流将乙醇引入石英管内,反应8分钟;最后,在Ar气氛下以100℃/分钟的降温速度冷却至室温,得到生长在泡沫镍基体上的三维石墨烯(Ni/3D-G),其中石墨烯的承载量1.3mg/cm2;将KMnO4和96wt%H2SO4(摩尔量KMnO4的0.5)溶于去离子水,搅拌均匀,制备以K+计浓度为0.005mol/L的溶液。将Ni/3D-G作为基体,浸入上述溶液,再转移入反应釜中,密闭后在90℃的烘箱中保温2小时,然后用去离子水和无水酒精冲洗数次,在60℃的烘箱真空干燥12小时后得到负载于Ni/3D-G的锰的氢氧化物;将所得负载有锰的氢氧化物的Ni/3D-G在Ar气氛下200℃下焙烧3小时,然后冷却至室温得到承载于于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2/Au电极,其中δ-MnO2的承载量为0.45mg/cm2。将上述承载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2电极浸入KAuCl4·2H2O的水溶液中(浓度以[AuCl4]–计为3mmol/L),浸泡20小时后,先后用去离子水和无水乙醇冲洗数次,在60℃下真空干燥12小时后得到承载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2/Au复合电极,其中Au的承载量为0.221mg/cm2。
以本实施例制备的负载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2/Au作为正极,以金属锂为负极,聚丙烯薄膜(牌号Celgard C380,美国Celgard公司)为隔膜,LiClO4的1,2-二甲氧基乙烷(DME)溶液为电解液,在充满氩气的手套箱中装配电池。经通入1大气压的氧气后,进行充放电测试。
恒电流充放电测试(电流密度800mA/g,电压范围2V~4.5V,其中容量和电流密度均基于石墨烯重量)表明,经过50次充放电,该锂-空电池的容量保持在1230mAh/g,并且显示出较低的极化。
作为对比,采用实施例2中的制备方法制备负载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2,以该负载于泡沫镍上的3D-G/δ-MnO2作为锂-空电池正极,进行电化学性能测试(氧气气氛下),经过仅10个循环,容量为1190mAh/g。
Claims (9)
1.一种表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极,其特征在于,以三维多孔泡沫镍为基体,基体上直接生长石墨烯,所述的石墨烯上直接生长花状δ-MnO2,花状δ-MnO2上再负载纳米Au颗粒。
2.根据权利要求1所述的表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极,其特征在于,所述花状δ-MnO2的比表面积为100~120m2g–1,直径为5~10μm,花状δ-MnO2中单片δ-MnO2厚度为3~4nm;所述Au颗粒的直径为20~60nm。
3.根据权利要求1或2所述的表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极,其特征在于,所述的三维石墨烯基复合电极材料中花状δ-MnO2的承载量为0.5~1.5mg/cm2,Au的承载量为0.1~0.5mg/cm2。
4.根据权利要求3所述的表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极,其特征在于,所述的三维石墨烯基复合电极材料中石墨烯的承载量为0.5~1.5mg/cm2。
5.一种根据权利要求1~4任一权利要求所述的表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)以三维多孔泡沫镍为基体,通过化学气相沉积法,直接在基体上生长石墨烯,记为Ni/3D-G;
2)将KMnO4和浓H2SO4溶于去离子水,搅拌均匀得到混合溶液,所述混合溶液中K+浓度为0.005~0.02mol/L;将步骤1)得到的Ni/3D-G浸入混合溶液,经70~120℃水热反应1~5h,再经洗涤、干燥后得到负载有锰的氢氧化物的Ni/3D-G;
所述浓H2SO4与KMnO4的摩尔比为0.25~1.0;
3)氩气气氛下,将步骤2)得到的负载有锰的氢氧化物的Ni/3D-G在200~500℃下焙烧1~4h,冷却后得到Ni/3D-G/δ-MnO2;
4)将含金的可溶性化合物与水混合,得到浓度为1~10mmol/L的溶液,将步骤3)得到的Ni/3D-G/δ-MnO2浸入所述的溶液中,浸泡10~24h后,再经洗涤、干燥得到所述的表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤2)所述的水热反应温度为70~95℃。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,步骤3)所述的焙烧温度为200~400℃。
8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述的含金的可溶性化合物为HAuCl4、NaAuCl4、KAuCl4或所述任意一种含金的可溶性化合物的水合物。
9.一种根据权利要求1~4任一权利要求所述的表面包覆MnO2和Au纳米颗粒的三维石墨烯基复合电极在作为锂-空电池的空气电极中的应用。
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Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104282736A (zh) * | 2014-10-30 | 2015-01-14 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种复合电极及其制备方法、阵列基板和显示装置 |
CN104868094A (zh) * | 2015-05-12 | 2015-08-26 | 浙江大学 | 多孔状RuO2/MnO2复合电极及其制备方法和应用 |
CN105355839A (zh) * | 2015-10-15 | 2016-02-24 | 浙江大学 | 一种石墨烯-金复合电极及其制备方法和应用 |
CN105406053A (zh) * | 2014-09-10 | 2016-03-16 | 苏州艾美得新能源材料有限公司 | 正极材料的制备方法、电池 |
CN105896000A (zh) * | 2016-04-20 | 2016-08-24 | 浙江大学 | 具有核壳结构的Co3O4/CNT/MnO2阵列电极及其制备方法和应用 |
CN105932302A (zh) * | 2016-04-20 | 2016-09-07 | 浙江大学 | 表面负载有MnO2纳米片的碳纳米管阵列电极及其制备方法和应用 |
CN107248579A (zh) * | 2017-06-15 | 2017-10-13 | 浙江大学 | 一种具有分级结构的二氧化铱/二氧化锰复合电极及其制备方法 |
WO2019154263A1 (zh) * | 2018-02-12 | 2019-08-15 | 广州墨羲科技有限公司 | 石墨烯纳米片复合材料及其制造方法及包括其的电极 |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101417820A (zh) * | 2008-09-24 | 2009-04-29 | 上海大学 | 多形貌纳米二氧化锰的制备方法 |
CN101597086A (zh) * | 2009-06-26 | 2009-12-09 | 海南大学 | 低温酸溶液中制备不同晶型纳米二氧化锰的方法 |
CN101698512A (zh) * | 2009-10-23 | 2010-04-28 | 济南大学 | 一种采用微波水热法制备不同晶型与形貌纳米二氧化锰的方法 |
CN102092791A (zh) * | 2011-03-16 | 2011-06-15 | 陕西师范大学 | 大比表面积层状氧化锰花球的制备方法 |
CN102387984A (zh) * | 2008-09-08 | 2012-03-21 | 新加坡南洋理工大学 | 作为电极材料的纳米粒子装饰的纳米结构化材料及其获得方法 |
CN102583560A (zh) * | 2011-01-06 | 2012-07-18 | 河南师范大学 | 一种球形γ-MnO2颗粒及其制备方法 |
CN102592841A (zh) * | 2012-03-21 | 2012-07-18 | 南京邮电大学 | 形貌可控二氧化锰三维石墨烯复合材料的制备方法 |
CN102910680A (zh) * | 2012-10-22 | 2013-02-06 | 天津大学 | 一种制备不同晶型二氧化锰的制备方法 |
CN103077835A (zh) * | 2013-01-15 | 2013-05-01 | 上海大学 | 一种石墨烯负载花状二氧化锰复合材料及其超声合成方法 |
-
2014
- 2014-02-27 CN CN201410068686.8A patent/CN103840179B/zh active Active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102387984A (zh) * | 2008-09-08 | 2012-03-21 | 新加坡南洋理工大学 | 作为电极材料的纳米粒子装饰的纳米结构化材料及其获得方法 |
CN101417820A (zh) * | 2008-09-24 | 2009-04-29 | 上海大学 | 多形貌纳米二氧化锰的制备方法 |
CN101597086A (zh) * | 2009-06-26 | 2009-12-09 | 海南大学 | 低温酸溶液中制备不同晶型纳米二氧化锰的方法 |
CN101698512A (zh) * | 2009-10-23 | 2010-04-28 | 济南大学 | 一种采用微波水热法制备不同晶型与形貌纳米二氧化锰的方法 |
CN102583560A (zh) * | 2011-01-06 | 2012-07-18 | 河南师范大学 | 一种球形γ-MnO2颗粒及其制备方法 |
CN102092791A (zh) * | 2011-03-16 | 2011-06-15 | 陕西师范大学 | 大比表面积层状氧化锰花球的制备方法 |
CN102592841A (zh) * | 2012-03-21 | 2012-07-18 | 南京邮电大学 | 形貌可控二氧化锰三维石墨烯复合材料的制备方法 |
CN102910680A (zh) * | 2012-10-22 | 2013-02-06 | 天津大学 | 一种制备不同晶型二氧化锰的制备方法 |
CN103077835A (zh) * | 2013-01-15 | 2013-05-01 | 上海大学 | 一种石墨烯负载花状二氧化锰复合材料及其超声合成方法 |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
FUGANG XU ET AL.: "Electrochemical behavior of cuprous oxide–reduced graphene oxide nanocomposites and their application in nonenzymatic hydrogen peroxide sensing", 《ELECTROCHIMICA ACTA》 * |
LI WANG ET AL.: "Manganese dioxide based ternary nanocomposite for catalytic reduction and nonenzymatic sensing of hydrogen peroxide", 《ELECTROCHIMICA ACTA》 * |
LI WANG ET AL.: "Manganese dioxide based ternary nanocomposite for catalytic reduction and nonenzymatic sensing of hydrogen peroxide", 《ELECTROCHIMICA ACTA》, no. 114, 23 October 2013 (2013-10-23), pages 416 - 423, XP028797210, DOI: doi:10.1016/j.electacta.2013.10.074 * |
程方益,陈军: "可充锂空气电池多孔纳米催化剂", 《化学学报》 * |
程方益,陈军: "可充锂空气电池多孔纳米催化剂", 《化学学报》, vol. 71, no. 4, 15 April 2013 (2013-04-15), pages 473 - 477 * |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105406053A (zh) * | 2014-09-10 | 2016-03-16 | 苏州艾美得新能源材料有限公司 | 正极材料的制备方法、电池 |
CN104282736A (zh) * | 2014-10-30 | 2015-01-14 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种复合电极及其制备方法、阵列基板和显示装置 |
CN104282736B (zh) * | 2014-10-30 | 2018-09-11 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种复合电极及其制备方法、阵列基板和显示装置 |
CN104868094A (zh) * | 2015-05-12 | 2015-08-26 | 浙江大学 | 多孔状RuO2/MnO2复合电极及其制备方法和应用 |
CN105355839A (zh) * | 2015-10-15 | 2016-02-24 | 浙江大学 | 一种石墨烯-金复合电极及其制备方法和应用 |
CN105355839B (zh) * | 2015-10-15 | 2017-07-21 | 浙江大学 | 一种石墨烯‑金复合电极及其制备方法和应用 |
CN105896000A (zh) * | 2016-04-20 | 2016-08-24 | 浙江大学 | 具有核壳结构的Co3O4/CNT/MnO2阵列电极及其制备方法和应用 |
CN105932302A (zh) * | 2016-04-20 | 2016-09-07 | 浙江大学 | 表面负载有MnO2纳米片的碳纳米管阵列电极及其制备方法和应用 |
CN105932302B (zh) * | 2016-04-20 | 2018-04-10 | 浙江大学 | 表面负载有MnO2纳米片的碳纳米管阵列电极及其制备方法和应用 |
CN107248579A (zh) * | 2017-06-15 | 2017-10-13 | 浙江大学 | 一种具有分级结构的二氧化铱/二氧化锰复合电极及其制备方法 |
WO2019154263A1 (zh) * | 2018-02-12 | 2019-08-15 | 广州墨羲科技有限公司 | 石墨烯纳米片复合材料及其制造方法及包括其的电极 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN103840179B (zh) | 2015-12-30 |
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