CN105514363A - 用作锂离子电池负极的Mn3O4/RGO纳米复合材料的制备方法 - Google Patents

用作锂离子电池负极的Mn3O4/RGO纳米复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种操作简单，温和可控、节能环保的用作锂离子电池负极的Mn3O4/RGO纳米复合材料的制备方法，属于复合功能材料领域。本发明的主要内容是：应用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯与四水合醋酸锰利用水热法反应，从而直接制备出性能优良的Mn3O4/RGO纳米复合材料。本发明制备过程简单。经过测试发现Mn3O4/RGO复合物中Mn3O4的结晶度得到提高，两者的协同效应使得Mn3O4/RGO复合物作为锂离子电池负极材料具有良好的电化学性能。本发明产品在复合功能材料领域尤其是锂离子电池储能、电容器等方面具有潜在的应用价值。

Description

用作锂离子电池负极的Mn3O4/RGO纳米复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及应用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯，然后利用水热法将氧化石墨烯与四水合醋酸锰反应，从而制备出性能优良的Mn3O4/RGO纳米复合材料，可用作锂离子电池负极材料，属于纳米复合功能材料领域。
背景技术
在过渡金属氧化物中，Mn3O4因其效率高、稳定性良好、产量高、成本低、环境友好和在水溶液中电位窗口广泛，成为最具有商业前景的超级电容器及锂离子电池材料。然而Mn3O4的低导电性阻碍了其进一步发展和应用，其合成过程复杂、比电容较低和循环稳定性差等问题远远不能满足商业化应用需求，因此通过简单的方法合成电化学性能良好的Mn3O4复合材料应用于锂离子电池日益引起研究者的关注。
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯作为一种新型碳材料，自诞生以来就吸引了大批研究者对其制备、表征、应用等诸多方面的研究。石墨烯的价带与导带相交于费米能级，是能隙为零的极佳半导体材料，其电子能谱与相对论量子力学里的狄拉克方程相符合，而不是薛定谔方程，电子的有效质量为零，由于避免了电子在石墨层间传输过程中的散射问题，在室温下其电子的传输速度和光速相比是1/300，这远远高于电子在一般半导体中的传输速度，因此出现了大量奇异性质，如：石墨烯独特的能带结构使电子和空穴互相分离，这样就导致了新的电子输运现象的产生，比如反常的量子霍尔效应和双极性电场效应，石墨烯在室温下的量子霍尔效应使原有的温度扩大了10倍，这也说明石墨烯有其优异的电学质量和独特的载流子特性。因此由于石墨烯独特的结构使它具有极佳的电学性质，是具有潜在开发应用的电学材料。
锂离子电池虽然诞生的时间较短，但随着社会与科技的发展，它在我们的生活中担当着不可或缺的角色，如手机、笔记本电脑电池及电动汽车用的动力电池。目前用石墨烯/金属氧化物复合材料作为电极材料正在引起人们极大的关注。对诸如石墨烯/Ni(OH)2、石墨烯/MnO2、石墨烯/Co3O4、石墨烯/Fe3O4等基于石墨烯的纳米复合物作为超级电容器电极材料已有大量的报道，且证明了相对于金属氧化物的电化学性能，这些复合材料实现了很大的突破。
因此，为了提高Mn3O4电容性能，常见的做法是将Mn3O4纳米颗粒嵌入或沉淀在高导电性的多孔基质上形成复合物，我们提出制备Mn3O4/RGO纳米复合材料，以提高Mn3O4的电导率，同时保持其高电解质渗透/扩散率，有望在锂离子存储方面呈现出良好的循环稳定性和电容量。
发明内容
本发明的目的是提供一种用作锂离子电池负极的Mn3O4/RGO纳米复合材料的制备方法。
本发明用作锂离子电池负极的Mn3O4/RGO纳米复合材料的制备方法，其特征在于具有以下步骤：
a.将质量比为1:1的过硫酸钾和五氧化二磷，溶解于适量浓硫酸中，加热到80℃，然后将3~5克天然石墨加入上述溶液，恒温4小时；
b.冷却至室温，用300~400ml的去离子水稀释后，静置过夜；洗涤，抽滤，60℃真空干燥箱中干燥；
c.将得到的先驱物加入到120ml的冰浴浓硫酸中，在搅拌下慢慢加入0.09~0.11mol的KMnO4，加入的过程中保持温度在0~5℃；然后将温度控制在35℃搅拌至充分反应；
d.加入250~300ml去离子水稀释，稀释过程中在冰浴中使温度低于30℃；搅拌后加入足量的去离子水，并立刻加入20ml30%的H2O2，混合物产生气泡，颜色变成亮黄色；
e.将上述混合物抽滤，并用1L的1:10的稀盐酸洗涤，过滤去除部分金属离子；再用去离子水洗涤过滤，去除多余的酸；将上述溶液溶解于水中，然后超声使溶液分散均匀，得到氧化石墨烯溶液，离心分离后，在空气中干燥得到棕黑色的产物即为石墨烯氧化物；
f.称取100毫克氧化石墨烯加入到100ml去离子水中，超声分散均匀后加入2.45克四水合醋酸锰，搅拌条件下用1mol/L的KOH调节pH~10左右，继续搅拌5分钟，转入高压反应釜中，160℃条件下反应6、24和72小时制得不同反应时间的产物，用去离子水反复洗涤，冷冻干燥8小时。最终制得四氧化三锰与石墨烯纳米复合材料。
在步骤a中，为确保反应的安全性和充分性，过硫酸钾和五氧化二磷的加入量各为2.5克，石墨为3克为最佳。
在步骤c中，KMnO4的加入量为0.0949mol,即为15克，搅拌时温度控制在35℃为最佳。
在步骤f中，溶液在反应釜中反应时间为6、24和72小时，其中优先值为72小时。
附图说明
图1为反应时间为6、24和72小时Mn3O4/RGO样品的XRD图。
图2为反应时间为6、24和72小时Mn3O4/RGO样品的拉曼光谱图。
图3为反应时间为6、24和72小时Mn3O4/RGO样品的透射电镜TEM和高分辨透射电镜HRTEM图。
图4为反应时间为6、24和72小时Mn3O4/RGO样品的XPS图谱：(a)全谱图；(b)Mn2p；(c)C1s；(d)O1s和(e)N1s。
图5为反应时间为6、24和72小时Mn3O4/RGO样品的倍率性能图。
图6为反应时间为6、24和72小时Mn3O4/RGO样品的循环性能图。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例，作进一步说明，叙述如下。
实施例
1．将质量为2.5g的过硫酸钾和五氧化二磷，溶解于20ml浓硫酸中，加热到80℃，然后将3g天然石墨加入上述溶液，恒温4h；
2．冷却至室温，用350ml的去离子水稀释后，静置过夜；洗涤，抽滤，60℃真空干燥箱中干燥；
3．将得到的先驱物加入到120ml的冰浴浓硫酸中，在搅拌下慢慢加入15g的KMnO4，加入的过程中保持温度在0~5℃；然后将温度控制在35℃搅拌至充分反应
4.加入250ml去离子水稀释，稀释过程中在冰浴中使温度低于30℃；搅拌后加入足量的去离子水，并立刻加入20ml30%的H2O2，混合物产生气泡，颜色变成亮黄色；
5．将上述混合物抽滤，并用1L的1:10的稀盐酸洗涤，过滤去除部分金属离子；再用去离子水洗涤过滤，去除多余的酸；将上述所得溶液溶解于水中，然后超声2小时使溶液分散均匀，得到氧化石墨烯溶液，离心分离后，在空气中干燥得到棕黑色的产物即为石墨烯氧化物；
6．称取100毫克氧化石墨烯加入到100ml去离子水中，超声分散均匀后加入2.45克四水合醋酸锰，搅拌条件下用1mol/L的KOH调节pH为10左右，继续搅拌5分钟，转入高压反应釜中，160℃条件下反应6、24和72小时制得不同时间的产物，用去离子水反复洗涤，冷冻干燥8小时。最终制得Mn3O4/RGO纳米复合材料。
有关本发明产物的电化学性能测试
将合成的电极活性物质，导电炭黑，粘结剂聚四氟乙烯，Polytetrafluoroethylene，PTFE，浓度为20%，按照质量比85:10:5的比例均匀混合后，在对辊机上碾压成薄膜，干燥后，铳成直径为10毫米的圆片，称重，然后将极片用20MPa的压力压在直径为16毫米的铜网上。采用CR2032型扣式电池测试样品的电化学性能，以高纯锂片作对电极，Celgard2400聚丙烯多孔膜为隔膜，电解液为含1mol/LLiPF6的EC（碳酸乙烯酯）/DMC（碳酸二甲酯）/碳酸二乙酯(质量比为1:1:1)的混合溶液。电池的组装在充满高纯氩气的手套箱中进行。将封口后的扣式电池在武汉蓝电电池测试系统LANDCT2001A上进行电化学性能测试，电压范围为0.01-3V。
仪器检测与表征
现将本实施例所得产物的仪器检测及表征结果叙述如下：
1.XRD检测
运用采用X射线衍射仪(仪器型号：18KWD/MAX2500V+/PC，生产厂家：日本理学电机株式会社)对所得粉末样品进行物相分析。图1为6、24和72小时水热法制备的Mn3O4/RGO复合材料XRD图谱，得到的样品衍射峰均为黑锰矿四氧化三锰(PDF卡片：JCPDS#24-0734)，无其它杂质峰，说明所制备的样品纯度高，相对于四氧化三锰，还原氧化石墨烯的衍射峰没有出现，可能是由于含量太低，没有氧化物四氧化三锰结晶度高而没有出现。衍射峰位于2θ=18.0°，28.9°，31.0°，32.3°，36.1°，38.0°，44.4°，49.8°，50.7°，53.9°，56.0°，58.5°，59.8°，64.7°与黑锰矿四氧化三锰(101)，(112)，(200)，(103)，(211)，(004)，(220)，(204)，(105)，(312)，(303)，(321)，(224)，(400)晶面相一致，属于四方相尖晶石型结构，点群I41/amd，a=b=0.576nm，c=0.947nm，衍射特征峰峰位于2θ=36.1°对应的晶面间距d211=0.2487nm。
2.拉曼检测
运用英国雷尼绍Renishaw公司的拉曼光谱仪，激发波长514.5nm，功率为3mW，扫描范围：500-1800cm-1对所得粉末样品进行分析。图2为6、24和72小时制得Mn3O4/RGO复合物的拉曼吸收光谱，图中位于~1350cm-1的D带和~1580cm-1的G带属于还原氧化石墨烯的拉曼特征峰，G带对应于还原氧化石墨烯中sp2杂化态的碳，D带来源于缺陷和无序度，同时还观察到峰强很弱的2D带和D+G带，位于657cm-1尖锐的拉曼峰是由于Mn-O-Mn键的伸缩振动产生的，拉曼模式为A1g，对应于四方相黑锰矿四氧化三锰，另两个比较弱的拉曼峰位于316cm-1和370cm-1，这表明制备的四氧化三锰具有尖晶石型结构，与文献中报道的Mn3O4相一致，从图中分析可以看出随着反应时间的增加，Mn-O-Mn键的拉曼特征峰逐渐增强，这说明增加反应时间，复合物中四氧化三锰的结晶度得到进一步改善，与图1复合物的XRD衍射峰逐渐增强相一致。
3.TEM检测
运用透射电子显微镜(TEM，型号：JEM-2010F，生产厂家：日本电子公司)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM，型号：JEOL200CX，生产厂家：日本JEOL200CX)对所得粉末样品进行微结构分析。图3为6、24和72小时制得样品的TEM和HRTEM图，从图中可以看出不同反应时间下制得的Mn3O4/RGO复合物中Mn3O4均为不规则六边形结构，边长为几十纳米到一百纳米左右，其中Mn3O4均匀的生长在RGO表面，没有发生明显的团聚，这可能是由于还原氧化石墨烯片层的作用，阻止了Mn3O4的团聚，同时Mn3O4插入到还原氧化石墨烯片层之间有效的阻止了石墨烯的团聚。从HRTEM图中可以看出随着反应时间的增加，Mn3O4的结晶度逐渐改善，与前面XRD衍射图相一致，说明增加反应时间，对提高四方相尖晶石型结构的Mn3O4有利，有利于提高Mn3O4/RGO复合物的电化学性能。
4.XPS检测
X射线光电子能谱(XPS)是一种表征材料表面元素组成及其元素键合价态的技术。图4为6、24和72小时制得的Mn3O4/RGO复合物XPS图谱。从图4(a)全谱图(0-1100eV)可以看出三个样品中均由Mn、C、O和N元素组成。图4(b)Mn2p区高分辨图谱，其能谱峰裂为Mn2p3/2和Mn2p1/2两个峰，其中心分别位于641.8eV和653.3eV，裂分宽度为11.5eV，跟文献报道的Mn3O4能谱峰位相一致，表明复合物中确实存在Mn3O4，与XRD测试结果相一致。图4(c)为C1s的高分辨拟合图谱，说明复合物中存在四种形态的碳，键合能位于284.2eV处的拟合峰来源于石墨sp2杂化态的碳，键合能位于284.5eV、285.4eV和288.5eV处的拟合峰分别对应C-O、C=O和O-C=O中碳的键合能级，从三个样品C1s的拟合图可以看出随着反应时间的增加，C-O、C=O和O-C=O对应的拟合峰逐渐减弱，表明石墨烯上含氧官能团的减少，而石墨sp2杂化态的峰逐渐增强，表明石墨烯得到还原，这与拉曼图谱中D带逐渐减弱相对应，详细分析石墨sp2杂化态的峰宽变大，键合能向高能方向位移，这可能是由于氧化石墨烯在还原过程中，形成了N掺杂还原氧化石墨烯，在石墨烯sp2杂化结构中形成了C-N键，这可以从图4(e)N1s高分辨拟合图谱中看出在还原氧化石墨烯中形成了N掺杂。图4(d)为O1s高分辨拟合图谱，两个强弱不同的拟合峰位于529.7eV和530.9eV，对应于Mn-O-Mn键和Mn-O-C键，从图4(d)中可以看出随着反应时间的增加，Mn-O-Mn键拟合峰逐渐增强，Mn-O-C键拟合峰逐渐减弱，表明反应时间的增加，复合物中Mn3O4结晶度提高，这与复合物中Mn3O4的XRD衍射峰逐渐增强相一致。图4(e)为复合物中N1s高分辨拟合图谱，来源于还原剂四水合肼，四个拟合峰对应四种形态的氮，更加说明还原氧化石墨烯中形成了N掺杂，拟合峰位于~398eV对应吡啶型氮，拟合峰位于~399eV对应有机胺、sp3杂化态氮和N-N键，拟合峰位于~400eV对应叽咯态氮，拟合峰位于~403eV对应质子化氮或石墨化氮(sp2)，氮掺杂石墨烯说明氧化石墨烯得到了还原，恢复了石墨的芳香性共轭结构，为电子的转移提供了很好地通道。
5.电化学性能检测
运用LANDCT2001A(武汉蓝电电池测试系统)对封口后的纽扣式电池进行电化学性能测试，电压范围为0.01-3V。图5为不同反应时间制得样品在不同电流下的倍率循环性能图，从图中分析可知，72小时制得样品在不同电流密度下循环性能均优于6和24小时，100mA/g和200mA/g电流密度下循环比容量接近于900mAh/g，与Mn3O4的理论比容量937mAh/g相近，远高于石墨的理论比容量373mAh/g，在500mA/g和1000mA/g电流密度下循环比容量为710.1mAh/g和268mAh/g，高于6和24小时在同样电流密度下循环的比容量，经过20次不同电流密度循环后，再在100mA/g电流密度下循环，其比容量为1025.4mAh/g，表明72小时制得样品具有很好地倍率循环稳定性，从图6在100mA/g电流密度下循环可以看出，72小时制得的Mn3O4/RGO复合物同时具有很好地循环稳定性，这归因于72小时制得的Mn3O4/RGO复合物中Mn3O4的结晶度较高，具有四方相尖晶石型结构，同时Mn3O4直接生长在RGO上，使得电荷载流子通过高度导电性的三维石墨烯网络结构能快速和有效的向集流体转移。Mn3O4与RGO的协同效应使得Mn3O4均匀的分布在石墨烯表面，阻止了团聚的发生，对循环稳定性起到了很好地作用。

Claims (4)

1.用作锂离子电池负极的Mn3O4/RGO纳米复合材料的制备方法，其特征在于具有以下步骤：
a.将质量比为1:1的过硫酸钾和五氧化二磷，溶解于适量浓硫酸中，加热到80℃，然后将3~5克天然石墨加入上述溶液，恒温4小时；
b.冷却至室温，用300~400ml的去离子水稀释后，静置过夜；洗涤，抽滤，60℃真空干燥箱中干燥；
c.将得到的先驱物加入到120ml的冰浴浓硫酸中，在搅拌下慢慢加入0.09~0.11mol的KMnO4，加入的过程中保持温度在0~5℃；然后将温度控制在35℃搅拌至充分反应；
d.加入250~300ml去离子水稀释，稀释过程中在冰浴中使温度低于30℃；搅拌后加入足量的去离子水，并立刻加入20ml30%的H2O2，混合物产生气泡，颜色变成亮黄色；
e.将上述混合物抽滤，并用1L的1:10的稀盐酸洗涤，过滤去除部分金属离子；再用去离子水洗涤过滤，去除多余的酸；将上述所得溶液溶解于水中，然后超声使溶液分散均匀，得到氧化石墨烯溶液，离心分离后，在空气中干燥得到棕黑色的产物即为石墨烯氧化物；
f.称取100毫克氧化石墨烯加入到100ml去离子水中，超声分散均匀后加入2.45克四水合醋酸锰，搅拌条件下用1mol/L的KOH调节pH为10左右，继续搅拌5分钟，转入高压反应釜中，160℃条件下反应6、24和72小时制得不同反应时间的产物，用去离子水反复洗涤，冷冻干燥8小时，最终制得四氧化三锰与石墨烯纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的用作锂离子电池负极的Mn3O4/RGO纳米复合材料的制备方法，其特征在于：步骤a中，为确保反应的安全性和充分性，过硫酸钾和五氧化二磷的加入量各为2.5克，石墨为3克为最佳。
3.根据权利要求1所述的用作锂离子电池负极的Mn3O4/RGO纳米复合材料的制备方法，其特征在于：步骤c中，KMnO4的加入量为0.0949mol,即为15克，搅拌时温度控制在35℃为最佳。
4.根据权利要求1所述的用作锂离子电池负极的Mn3O4/RGO纳米复合材料的制备方法，其特征在于：步骤f中，溶液在反应釜中反应时间为6、24和72小时，其中优先值为72小时。
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