CN107180964A - 一种微波法制备掺杂金属氧化物/石墨烯复合纳米材料的方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用微波法一步合成掺杂金属氧化物与石墨烯复合材料的方法,该方法以具有还原性的低价态金属离子(Fe2+、Sn2+等)为还原剂,铬、锑、镍等为掺杂元素,在微波加热的辅助下,氧化石墨烯被还原,同时合成均匀分布在石墨烯片层上的掺杂金属氧化物复合材料。该方法实现了掺杂、低价态金属离子氧化、氧化石墨烯还原的同步进行,避免使用剧毒的水合肼还原氧化石墨烯,对环境友好、无污染;此工艺设备简单,加热速度快,反应时间短,且产物纯度高,大大提高了生产效率。通过该方法制备的掺杂金属氧化物与石墨烯复合材料作为锂离子电池以及钠离子电池负极材料时具有较高的相对比容量和良好的循环稳定性。
Description
技术领域
本发明属于纳米复合材料技术领域,特别是涉及一种利用微波快速制备掺杂金属氧化物与石墨烯复合的锂离子电池以及钠离子电池负极材料的方法。
背景技术
在全球环境与能源问题越来越严峻的情况下,电动汽车开始走进人们的视野,交通工具的动力源开始由汽油转变为电能,人们迫切的需要一种大功率、高容量的储能元件。锂离子电池由于其对环境污染小、无记忆效应、快速充放电、比能量高、充放电寿命长、自放电率低等优点,被认为是理想的储能电池。而钠离子电池由于丰富的钠资源,较低的成本,有望成为新一代储能电池主角。
传统的商用锂离子电池负极材料以石墨为主,然而由于石墨的理论容量较低,无法满足日益增长的锂离子电池对高容量的需求,所以人们在开发碳材料的同时也展开了对高容量非碳负极材料的研发,例如锡基材料、钛基材料、过渡金属氧化物等其他新型高比容量非碳材料。作为常见的金属氧化物,氧化铁、氧化锡具有较高的理论容量,而且其原料丰富、价格便宜、无毒无污染,这些独特的优点使其在所有电池负极材料的候选者中脱颖而出,吸引了越来越多人的注意力。但是以上负极材料在充放电过程中具有较大的体积变化,循环过程中锂离子的反复嵌入与脱出使得氧化物负极材料电极粉化,容量快速衰减,循环性能下降。为了减轻电极材料的体积效应,提高材料的循环性能,通常采用的方法有:材料纳米化、与碳材料复合和对材料进行掺杂。
石墨烯作为新型碳材料,具有较大的比表面积、较好的力学性能、优异的导电性以及较高的理论容量,这使其作为负极载体材料具有广阔的应用前景,对金属氧化物负极材料的电化学性能的改善早已得到实验的验证。近年来国内外的研究表明,石墨烯复合材料在锂离子电池、钠离子电池以及超电容方面取得了巨大的成就,有望在高性能储能元件中获得广泛的应用。
目前所报道的金属氧化物与石墨烯复合材料常见的是水热法,但是这种制备方法试验周期较长,比较繁琐,且大多使用硼酸钠、水合肼等有毒性还原剂来还原氧化石墨烯。为了提高生产效率,有必要寻求一种环保有效、快捷方便的生产方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用微波快速制备掺杂金属氧化物与石墨烯复合的锂离子电池负极以及钠离子负极纳米材料的方法。本发明以具有还原性的低价态金属离子(Fe2+、Sn2+等)为还原剂,在微波加热的辅助下,将氧化石墨烯还原。该方法操作简单,反应迅速,制备的石墨烯复合纳米材料中掺杂金属氧化物颗粒尺寸较小,均匀分布在石墨烯片层上,最终得到的复合材料具有优异的电化学性能。
本发明的技术方案如下:
一种微波法制备掺杂金属氧化物/石墨烯复合纳米材料的方法包括如下步骤:
(1)利用改进的Hummer法制备氧化石墨烯,离心洗涤后,超声分散1-3h,制备成0.5-2mg mL-1的氧化石墨烯水溶液;
(2)取具有还原性的低价金属离子盐,配置成离子浓度为0.01-0.1mol/L的水溶液,加入尿素后,超声分散5-20min,使原料全部溶解,并加入所述氧化石墨烯水溶液,磁力搅拌20-50min,其中所述低价金属离子盐水溶液、尿素和氧化石墨烯水溶液的配比为100mL:0.005-0.05mol:5-50mL;
(3)按原子百分比为1%-10%的掺杂比例加入作为掺杂金属的金属盐并继续搅拌至得到均匀的混合溶液,所述掺杂金属为铬、锑、镍、钴、铝中的一种或多种;
(4)将混合溶液置于微波催化合成仪中,调节微波的功率为600-1000W,反应温度设置为90-110℃,在微波作用下加热反应5-20min;
(5)静置反应容器,待温度冷却至室温后,离心,洗涤,在50-90℃真空干燥12-36h后,在保护气氛中于450-550℃退火1-3h,得到所需产品。
可选的,所述的具有还原性的低价金属离子为Fe2+、Sn2+中的至少一种,它们的金属盐分别选自盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐或者醋酸盐中的一种或多种的组合。
可选的,所述掺杂金属的金属盐选自盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐或者醋酸盐中的一种或多种的组合。
可选的,所述微波功率为600-800W,反应温度为100℃,微波加热时间为5-15分钟。
可选的,所述保护气氛为氮气、氩气、氢氩气的一种。
上述方法制备的掺杂金属氧化物/石墨烯复合纳米材料作为锂离子电池以及钠离子电池负极材料的应用。
上述方案中,所选用的微波催化合成仪型号为XH-100A,所用到的药品均为分析纯等级。所述掺杂比例,是指掺杂金属与低价态金属离子的原子百分比。
本发明的工作原理是:氧化石墨烯表面存在大量的极性含氧官能团,例如羟基、环氧基、羧基等,这些含氧基团的存在使得氧化石墨烯表现电负性,在静电力的作用下,与金属阳离子结合,生成金属盐/氧化石墨烯复合物前驱体。具有还原性的低价金属离子Fe2+、Sn2+具有一定的还原性,在微波加热的条件下,会将氧化石墨烯表面的含氧基团还原,自身被氧化为高价态金属离子,生成氢氧化物与石墨烯复合物前驱体,经干燥退火后得到所需复合材料。
本发明的有益效果是:与常用的水热法制备氧化物/石墨烯复合材料相比,本发明可在短时间内达到均匀加热,大大缩短了反应时间,提高了产品纯度以及生产效率。该方法避免使用硼酸钠、水合肼等有毒性还原剂,在微波的作用下,直接用还原性金属离子将氧化石墨烯还原,对环境友好无污染。由于该发明反应迅速,消耗能量较少,实验的重复性好,无副反应发生,避免使用对环境有害的药品,是一种快捷方便、绿色环保的制备技术。该方法实现了氧化石墨烯的还原与氧化物的掺杂同步进行。掺杂后的金属氧化物颗粒尺寸大大减小,均匀分布在石墨烯片层上,这大大提高了材料的导电性能和循环性能。该方法制备的掺杂金属氧化物与石墨烯复合纳米材料具有优异的电化学性能,不仅拥有较高的比容量,而且具有良好的循环稳定性。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明;但本发明的一种微波法制备掺杂金属氧化物/石墨烯复合纳米材料的方法及应用不局限于实施例。
附图说明
图1为实施例2制备的掺铬量为4%的氧化铁与石墨烯复合材料的扫描电镜图片;
图2为实施例4制备的掺锑量为8%的氧化锡与石墨烯复合材料的扫描电镜图片;
图3为实施例2制备的掺铬量为4%的氧化铁与石墨烯复合材料的XRD图片;
图4为实施例2制备的掺铬量为4%的氧化铁与石墨烯复合材料作为锂离子电池负极材料时在电流密度为100mA g-1时充放电循环曲线;
图5为实施例4制备的掺锑量为8%的氧化锡与石墨烯复合材料作为钠离子电池负极材料时在电流密度为50mA g-1时充放电循环曲线。
具体实施方式
实施例1
一种微波法合成掺铬量2%(原子百分比)的氧化铁与石墨烯复合材料的方法,包括以下步骤:
(1)利用改进的Hummer法制备氧化石墨烯,离心洗涤后,超声分散2h,制备成1mgmL-1的氧化石墨烯水溶液。
(2)配置离子浓度为0.02mol/L的氯化亚铁水溶液,取100ml该溶液,加入1.2g尿素后,超声分散10min,使原料全部溶解,并加入10mL上述氧化石墨烯溶液,磁力搅拌30min,得到均匀的混合溶液。
(3)称取16mg九水合硝酸铬(Cr(NO3)3·9H2O)加入上述溶液,继续搅拌,得到均匀的棕褐色混合溶液。
(4)将混合溶液倒入三口圆底烧瓶,并放入微波催化合成仪中,调节微波的功率为600W,反应温度设置为100℃,在微波作用下加热反应10min,待反应结束后,反应容器中溶液变为黑色。
(5)静置反应容器,待温度冷却至室温后,离心,洗涤,在70℃真空干燥24h后,在氩气中500℃退火2h,得到所需产品。
实施例2
一种微波法合成掺铬量4%(原子百分比)的氧化铁与石墨烯复合材料的方法,包括以下步骤:
(1)利用改进的Hummer法制备氧化石墨烯,离心洗涤后,超声分散2h,制备成1mgmL-1的氧化石墨烯水溶液。
(2)配置离子浓度为0.02mol/L的氯化亚铁水溶液,取100ml该溶液,加入1.2g尿素后,超声分散10min,使原料全部溶解,并加入10mL上述氧化石墨烯溶液,磁力搅拌30min,得到均匀的混合溶液。
(3)称取32mg九水合硝酸铬(Cr(NO3)3·9H2O)加入上述溶液,继续搅拌,得到均匀的棕褐色混合溶液。
(4)将混合溶液倒入三口圆底烧瓶,并放入微波催化合成仪中,调节微波的功率为600W,反应温度设置为100℃,在微波作用下加热反应10min,待反应结束后,反应容器中溶液变为黑色。
(5)静置反应容器,待温度冷却至室温后,离心,洗涤,在70℃真空干燥24h后,在氩气中500℃退火2h,得到所需产品。
实施例3
一种微波法合成掺锑量2%(原子百分比)的氧化锡与石墨烯复合材料的方法,包括以下步骤:
(1)利用改进的Hummer法制备氧化石墨烯,离心洗涤后,超声分散2h,制备成1mgmL-1的氧化石墨烯水溶液。
(2)配置离子浓度为0.02mol/L的氯化亚锡水溶液,取100ml该溶液,加入0.3g尿素后,超声分散10min,使原料全部溶解,并加入10mL上述氧化石墨烯溶液,磁力搅拌30min,得到均匀的白色混合溶液。
(3)称取9mg三氯化锑加入上述溶液,继续搅拌1h,得到混合溶液。
(4)将混合溶液倒入三口圆底烧瓶,并放入微波催化合成仪中,调节微波的功率为600W,反应温度设置为100℃,在微波作用下加热反应10min,待反应结束后,反应容器中溶液变为黑色。
(5)静置反应容器,待温度冷却至室温后,离心,洗涤,在70℃真空干燥24h后,在氩气中500℃退火2h,得到所需产品。
实施例4
一种微波法合成掺锑量8%(原子百分比)的氧化锡与石墨烯复合材料的方法,包括以下步骤:
(1)利用改进的Hummer法制备氧化石墨烯,离心洗涤后,超声分散2h,制备成1mgmL-1的氧化石墨烯水溶液。
(2)配置离子浓度为0.02mol/L的氯化亚锡水溶液,取100ml该溶液,加入1.2g尿素后,超声分散10min,使原料全部溶解,并加入10mL上述氧化石墨烯溶液,磁力搅拌30min,得到均匀的白色混合溶液。
(3)称取36mg三氯化锑加入上述溶液,继续搅拌1h,得到混合溶液。
(4)将混合溶液倒入三口圆底烧瓶,并放入微波催化合成仪中,调节微波的功率为600W,反应温度设置为100℃,在微波作用下加热反应10min,待反应结束后,反应容器中溶液变为黑色。
(5)静置反应容器,待温度冷却至室温后,离心,洗涤,在70℃真空干燥24h后,在氩气中500℃退火2h,得到所需产品。
实施例5
将实施例2得到的金属氧化物/石墨烯复合纳米材料与导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量为8:1:1混合均匀,其中PVDF用N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶解,涂覆在铜箔上制成负极极片:以锂片为对电极,Celgard2400膜为隔膜,LiPF6(溶剂为碳酸乙烯酯:碳酸二甲酯:碳酸二乙酯=1:1:1,质量比)为电解液,组装成锂离子电池。室温条件下,对电池在0.01V-3V电压范围内进行电流密度为100mA g-1恒流充放电测试以及不同电流密度下的倍率性能测试,其结果如图4所示。
实施例6
将实施例4得到的金属氧化物/石墨烯复合纳米材料与导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量为8:1:1混合均匀,其中PVDF用N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶解,涂覆在铜箔上制成负极极片;将金属钠块压成的钠片作为对电极,whatman玻璃纤维滤膜滤纸GF/D为隔膜,NaClO4为电解液,组装成钠离子电池。室温条件下,对电池在0.01V-3V电压范围内进行电流密度为50mA g-1恒流充放电测试以及不同电流密度下的倍率性能测试,其结果如图5所示。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种微波法制备掺杂金属氧化物/石墨烯复合纳米材料的方法及应用,但本发明并不局限于实施例,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种微波法制备掺杂金属氧化物/石墨烯复合纳米材料的方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)利用改进的Hummer法制备氧化石墨烯,离心洗涤后,超声分散1-3h,制备成0.5-2mgmL-1的氧化石墨烯水溶液;
(2)取具有还原性的低价金属离子盐,配置成离子浓度为0.01-0.1mol/L的水溶液,加入尿素后,超声分散5-20min,使原料全部溶解,并加入所述氧化石墨烯水溶液,磁力搅拌20-50min,其中所述低价金属离子盐水溶液、尿素和氧化石墨烯水溶液的配比为100mL:0.005-0.05mol:5-50mL;
(3)按原子百分比为1%-10%的掺杂比例加入作为掺杂金属的金属盐并继续搅拌至得到均匀的混合溶液,所述掺杂金属为铬、锑、镍、钴、铝中的一种或多种;
(4)将混合溶液置于微波催化合成仪中,调节微波的功率为600-1000W,反应温度设置为90-110℃,在微波作用下加热反应5-20min;
(5)静置反应容器,待温度冷却至室温后,离心,洗涤,在50-90℃真空干燥12-36h后,在保护气氛中于450-550℃退火1-3h,得到所需产品。
2.根据权利要求1所述方法,其特征在于:所述的具有还原性的低价金属离子为Fe2+、Sn2+中的至少一种,它们的金属盐分别选自盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐或者醋酸盐中的一种或多种的组合。
3.根据权利要求1所述方法,其特征在于:所述掺杂金属的金属盐选自盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐或者醋酸盐中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述方法,其特征在于:所述微波功率为600-800W,反应温度为100℃,微波加热时间为5-15分钟。
5.根据权利要求1所述方法,其特征在于:所述保护气氛为氮气、氩气、氢氩气的一种。
6.权利要求1-5任一项所述方法制备的掺杂金属氧化物/石墨烯复合纳米材料作为锂离子电池以及钠离子电池负极材料的应用。
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