CN103956473B - 一种CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CuO‑Cu2O/石墨烯纳米复合材料及其制备方法；其中本发明的CuO‑Cu2O/石墨烯纳米复合材料为：CuO‑Cu2O纳米球均匀分散在石墨烯表面上，且纳米球为空心结构，由CuO和Cu2O纳米晶粒混合组成；其制备方法包括：将一定量的铜盐和氧化石墨混合分散形成均匀溶液，加入适量氨水调节pH值，然后将混合溶液放入微波反应器中微波加热反应得到前驱物，最后将前驱物在惰性气氛中高温（450‑700℃）煅烧1‑3h，再在空气气氛中低温（150‑250℃）煅烧1‑2h，即可得到该CuO‑Cu2O/石墨烯纳米复合材料。本发明的CuO‑Cu2O/石墨烯纳米复合材料制备工艺简单、成本低、电化学性能好，可应用于锂电池电极。

Description

一种CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属无机纳米复合材料领域，尤其是涉及是一种CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
作为过渡金属氧化物的主要成员，氧化铜（CuO）和氧化亚铜（Cu2O）在电学、磁学和催化方面有独特的性质，广泛地应用于电化学材料领域、磁学材料领域、催化领域和气敏传感器领域，是一种具有很好工业应用前景的功能性无机材料。近年来，由于它安全无害，对环境友好，具有较高的理论储锂容量，CuO和Cu2O作为锂离子负极材料的研究已成为目前研究的热点。但在锂离子电池充放电的过程，由于锂离子的嵌入和脱出，会导致金属氧化物体积膨胀、结构坍塌，使得CuO和Cu2O作为锂离子电池负极材料的应用受到很大的限制。其次，金属氧化物的导电性差，致使CuO和Cu2O容量衰减比较快。如何解决这些科学问题，是当今能源材料研究的主要方向之一。
石墨烯是一种单原子层厚度的石墨材料，具有独特的二维结构和良好的导热与导电性、大的比表面积、优越的机械强度，被认为是复合材料的理想添加相，在纳米复合材料领域有着巨大的应用潜力。研究发现，石墨烯与过渡金属氧化物形成的复合材料，具有良好的电化学性能，可大大改善金属氧化物作为锂离子负极材料的循环稳定性能与倍率性能。目前已有CuO或者Cu2O与石墨烯复合材料的研究报道，但其形貌主要是实心颗粒状。
众所周知，纳米材料的形貌和尺寸对其性能有着决定性的影响。本发明中合成的空心CuO-Cu2O纳米球/石墨烯复合材料，其特征是：合成的CuO-Cu2O的形状为纳米空心球状结构，由CuO和Cu2O纳米晶粒混合组成，且CuO-Cu2O空心纳米球均匀分散在石墨烯片上。这样的产物与简单的CuO、Cu2O纳米材料、或者普通的CuO/石墨烯纳米复合材料相比，具有以下优势：（1）石墨烯具有独特的二维结构及优异的导电性能，因而CuO-Cu2O/石墨烯复合材料与纯氧化物相比，具有很好的导电性，使电学和电化学性能大大改进；（2）空心CuO-Cu2O纳米球具有中空结构，具有低密度，高比表面，优异的载荷能力，可以改善锂离子的转移能力，提高了活性物质与电解液的接触面积，从而具有优异的循环稳定性能和倍率性能，突破了氧化物实体结构受体积膨胀容易结构坍塌的瓶颈；（3）CuO-Cu2O纳米球由CuO和Cu2O两种纳米晶混合组成， CuO与Cu2O这两种组份间具有较多的界面结构，可通过界面储锂或者其它协同效应改善电化学性能。所以本发明的空心CuO-Cu2O纳米球/石墨烯复合材料与普通的氧化铜/石墨烯复合材料相比具有独特的微观结构和物理化学性质。
目前制备中空结构纳米材料的方法一般采用模板法，但是一些模板本身稀少、有污染，同时存在除移模板步骤；模板的移除是非常复杂的过程，且对所生产的中空结构的形貌与结构均有不利的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料及其制备方法。
本发明的CuO-Cu2O/石墨烯复合材料，所述CuO-Cu2O的形状为纳米空心球状结构，由CuO和Cu2O纳米晶粒混合组成，且CuO-Cu2O空心纳米球均匀分散在石墨烯片上。
本发明中CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料是通过以下的技术方案完成的，以铜盐、氨水、氧化石墨、无水乙醇为原料，具体包括以下步骤：
(1) 称取适量铜盐和氧化石墨，超声分散于溶剂中，形成均匀溶液；
(2) 缓慢滴加适量的氨水，调节pH值为8~10；
(3) 将步骤(2)的溶液转入容器中，放入到微波反应器中利用微波加热反应5~15min；
(4) 待反应产物冷却后，洗涤、干燥，得到前驱体；
(5) 将前驱体放入管式加热炉中，在惰性气氛中高温段煅烧1~3 h，然后在空气气氛中低温段煅烧1~3 h, 所述高温段为400~700℃；所述低温段为150~250℃；得到CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料。
在所述的CuO-Cu2O /石墨烯纳米复合材料的制备方法中，在步骤(1)中所述的铜盐为硝酸铜、氯化铜、醋酸铜中的一种或一种以上。
在所述的CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料的制备方法，在步骤(1)中所述的溶剂可以是水、无水乙醇或者水和无水乙醇的混合溶液。
在所述的CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料的制备方法，在步骤(1)中原料的重量份配比为铜盐1~10份、氧化石墨1~5份、溶剂20~200份。
在所述的CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料的制备方法，所述的微波加热反应所使用的微波功率为300～1200 W。
在所述的CuO-Cu2 /石墨烯纳米复合材料的制备方法，在步骤(5)中所述的惰性气氛为氮气或者氩气。
所述的CuO-Cu2O /石墨烯纳米复合材料是以铜盐、氨水和氧化石墨为原料，首先在微波反应器中微波加热反应，随后经过煅烧处理后形成的，反应原理为：氧化石墨经过超声处理极易在溶液中发生剥离分散，形成均匀的氧化石墨烯溶液，由于在氧化石墨烯片层中及片层边缘分布着羟基、环氧基和羧基等活性官能团，使其表面带有大量的负电荷，带正电的铜离子由于静电吸引吸附在氧化石墨烯片层上，使得其在氧化石墨烯片上与氨水原位反应形核生长形成前驱物，在高温热处理过程中前驱物中会发生还原反应、氧化反应以及柯肯达尔（Kirkendall）效应自主形成空心CuO-Cu2O纳米球/石墨烯复合材料。
利用本发明所得到的CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料的结构、形貌和性质是采用X-射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和充放电测试仪手段进行表征的。
有益效果
本发明提供一种空心CuO-Cu2O纳米球/石墨烯复合材料及其制备方法，其优点如下：
(1) 本发明制备反应时间短、环境友好、能耗低、工艺简单、条件易控制,易于实现量化生产。
(2) 所制备的CuO-Cu2O纳米空心球纯度比较高，不含其他形貌、晶型的产物，均匀分布在石墨烯片上。
(3) 所制备的CuO-Cu2O/石墨烯复合材料中，CuO-Cu2O的含量可通过控制铜盐与氧化石墨的质量配比来调节。
(4) 所制备的CuO-Cu2O纳米球/石墨烯复合材料形貌稳定, 纳米球的尺寸分布在100-200nm，其中壳层的厚度大约为50-70nm, 空心直径大约为100nm, CuO-Cu2O空心球是由大约5-10nm的CuO和Cu2O纳米晶组装而成；由于这种特殊的形貌与微观结构，所述的CuO-Cu2O纳米球/石墨烯复合材料具有优异的电化学储锂性能，可用作锂电池负极材料。
附图说明
图1是采用本发明制备的CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料的X-射线粉末衍射(XRD)图谱；经检索发现，与CuO(JCPDS No. 80-0076)和Cu2O(JCPDS No. 78-2076)的标准卡片相匹配，25°左右的衍射峰与石墨烯的（002）面相对应，说明产物是CuO-Cu2O/石墨烯复合材料，所制备的样品纯度高。
图2是采用本发明制备的CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料的扫描电子显微镜（SEM）图片。从图片中可以看出CuO-Cu2O纳米球均匀分散在石墨烯纳米片上。
图3是采用本发明制备的CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料的透射电子显微镜(TEM)图片。从图片上可以看出纳米球为空心结构，壳层厚度大约为50-70 nm, 空心直径大约为100 nm。
图4是采用本发明制备的CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料的高分辨透射电镜(HRTEM)图片。从图片上可以看出，微球是由尺寸为大约10 nm的CuO和Cu2O纳米晶粒组成，可以看出晶格清晰，说明了其结晶性非常好，左边的晶粒为CuO, 右边的晶粒对应于Cu2O，说明纳米球是由CuO 和Cu2O纳米晶组成的。
图5是采用本发明制备的CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料作为锂离子电池负极的倍率循环性能图。可以看出该CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料在大电流（5000mA/g）充放电时仍有很好的性能。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做出进一步的具体说明，但本发明并不局限于下述实例。
实施例1：
一种以硝酸铜、氧化石墨为原料制备CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料的步骤如下：
(1)分别称取0.8g硝酸铜和0.12g氧化石墨超声分散于80ml无水乙醇中；
(2)缓慢加入8ml氨水（10M），继续超声10分钟；
(3)将反应物转入有回流装置的圆底烧瓶中，控制微波反应器的功率为500 W，反应10min；
(4)待反应结束后，将烧瓶内的沉淀离心洗涤干燥，得到前驱体；
(6) 将得到的前驱体在高温500℃氩气中煅烧2h, 然后低温250℃于空气气氛中煅烧1 h，即可得到CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料。
实施例2：
一种以醋酸铜、氧化石墨为原料制备CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料的步骤如下：
(1)分别称取0.66g醋酸铜和0.15g氧化石墨，超声分散于40ml无水乙醇和40ml水的混合溶液中；
(2)缓慢加入9ml氨水（10M），继续超声10分钟；
(3)将反应物转入有回流装置的圆底烧瓶中，控制微波反应器的功率为400 W，反应15min；
(4)待反应结束后，将烧瓶内的沉淀离心洗涤干燥，得到前驱体；
(5)将得到的前驱体在高温450℃氮气中煅烧2h,然后低温200℃于空气气氛中煅烧2h，即可得到CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料。
实施例3：
一种以氯化铜、氧化石墨为原料制备CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料的步骤如下：
(1)分别称取0.6g氯化铜和0.2g氧化石墨，超声分散于100ml去离子水中；
(2)缓慢加入10ml氨水（10M），继续超声15分钟；
(3)将反应物转入有回流装置的圆底烧瓶中，控制微波反应器的功率为700 W，反应10min；
(4)待反应结束后，将烧瓶内的沉淀离心洗涤干燥，得到前驱体；
将得到的前驱体在高温550℃氮气中煅烧1h, 然后低温200℃于空气气氛中煅烧3h，即可得到CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料。

Claims (7)

1.一种 CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料的制备方法，所述 CuO-Cu2O 的形状为纳米空心球状结构， 由 CuO 和 Cu2O 纳米晶粒混合组成， 所述的 CuO-Cu2O 空心纳米球均匀分散在石墨烯片上，包括以下步骤 ：
(1) 称取适量铜盐和氧化石墨， 超声分散于溶剂中， 形成均匀溶液 ；
(2) 缓慢滴加适量的氨水， 调节 pH 值为 8~10 ；
(3) 将步骤 (2) 的溶液转入容器中， 放入到微波反应器中利用微波加热反应 5~15min ；
(4) 待反应产物冷却后， 洗涤、 干燥， 得到前驱体 ；
(5) 将前驱体放入管式加热炉中， 在惰性气氛中高温段煅烧 1~3 h， 然后在空气气氛中低温段煅烧 1~3 h, 所述高温段为 400~700℃； 所述低温段为 150~250℃； 得到CuO-Cu2O / 石墨烯纳米复合材料。
2.根据权利要求 1 所述的制备方法， 其特征在于 , 所述铜盐可为硝酸铜、 氯化铜和醋
酸铜中的一种或一种以上。
3.根据权利要求 1 所述的制备方法， 其特征在于， 所述溶剂可以是水、 无水乙醇或水和无水乙醇的混合溶液。
4.根据权利要求 1 所述的制备方法， 其特征在于 , 原料的重量份为铜盐 1~10 份、氧化石墨 1~5 份、 溶剂 20~200 份。
5.根据权利要求 1 所述的制备方法， 其特征在于， 所述的微波加热反应所使用的微波功率为 300~1200 W。
6.根据权利要求 1 中所述的制备方法， 其特征在于， 所述惰性气氛为氮气或者氩气。
7.一种CuO-Cu2O/石墨烯纳米复合材料，其特征在于：由权利要求1所述的制备方法制备而得到。
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