CN108892126A - 一种石墨烯金属复合新材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石墨烯金属复合新材料的制备方法，将氧化石墨烯加入蒸馏水中超声分散均匀，制成分散液，所得氧化石墨烯溶液的浓度为6‑10mg/mL；将所述分散液放入液氮中冷冻至固体，迅速放到冷冻干燥机中，在1000‑1200kw功率下，真空模式下运作8‑12h，待液体完全挥发，即可得到氧化石墨烯多孔材料；将氯化铁、硝酸锰和磷酸钨加入乙醇中，搅拌10‑30min后，加入乙烯‑醋酸乙烯共聚物，在温度80‑100℃下继续搅拌反应30‑50min，得混合液；将制得的氧化石墨烯多孔材料加入步骤S3所述混合液中，N 2气氛管式炉中，以加热速率为3‑5℃/min升温至650‑800℃，煅烧2‑4h，制得石墨烯金属复合新材料。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯金属复合新材料的制备方法。
背景技术
石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键，并有如下的特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10-10米，键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能。
在现有技术中，主要是将金属负载于片状的石墨烯上，而这样的石墨烯属于二维材料，混料不均匀，易群聚，从而降低表面积，应用范围较小，在复合材料的制备过程中，只能负载于片状石墨烯的表面，没有较多的负载点，从而用于催化反应的活性位点较少，难以直接压制成型。此外，虽然现如今将过渡金属氧化物的纳米颗粒负载到具有高电子电导率的碳材料骨架上，能够有效地提高材料的电子电导率，从而提高材料的倍率性能。但是，即使过渡金属氧化物纳米颗粒负载在碳材料上，其体积膨胀并不能得到很好的改善，大电流和较长循环周期下，仍表现较明显的容量衰减。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中石墨烯复合材料存在的上述不足，提供一种石墨烯金属复合新材料的制备方法，形成三维立体状结构的石墨烯复合材料，产品均匀性好，韧性和强度较高，可直接压制成型，体积膨胀率小、容量衰减程度低。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种石墨烯金属复合新材料的制备方法，包括如下步骤：
S1：将氧化石墨烯加入蒸馏水中超声分散均匀，制成分散液，所得氧化石墨烯溶液的浓度为6-10mg/mL；
S2：将步骤S1中所述分散液放入液氮中冷冻至固体，迅速放到冷冻干燥机中，在1000-1200kw功率下，真空模式下运作8-12h，待液体完全挥发，即可得到氧化石墨烯多孔材料；
S3：将5-9份氯化铁、8-12份硝酸锰和7-13份磷酸钨加入40-50份乙醇中，搅拌10-30min后，加入6-10份乙烯-醋酸乙烯共聚物，在温度80-100℃下继续搅拌反应30-50min，得混合液；
S4：将制得的氧化石墨烯多孔材料加入步骤S3所述混合液中，N 2气氛管式炉中，以加热速率为3-5℃/min升温至650-800℃，煅烧2-4h，制得石墨烯金属复合新材料。
优选的，步骤S1中所述氧化石墨烯溶液的浓度为8mg/mL。
优选的，步骤S2中所述在1100kw功率下，真空模式下运作10h。
优选的，步骤S3中将7份氯化铁、10份硝酸锰和9份磷酸钨加入45份乙醇中，搅拌18min。
优选的，步骤S3中加入8份乙烯-醋酸乙烯共聚物，在温度90℃下继续搅拌反应40min。
优选的，步骤S4中所述以加热速率为4℃/min升温至750℃，煅烧3.5h。
上述任意一条制备方法所制备得到的石墨烯金属复合新材料。
有益效果：
本发明所述一种石墨烯金属复合新材料的制备方法，以液氮冷冻法得到三维多孔结构的氧化石墨烯材料；并加入由铁盐、锰盐、钨盐构成的混合液中，在后续氮气管式炉中以合适条件煅烧处理，最终得到均匀性好，韧性和强度较高，体积膨胀率小、容量衰减程度低，可直接压制成型的金属复合新材料；且制备工艺简单，可规模化推广。
具体实施方式
以下结合下述实施方式进一步说明本发明，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
S1：将氧化石墨烯加入蒸馏水中超声分散均匀，制成分散液，所得氧化石墨烯溶液的浓度为6mg/mL；
S2：将步骤S1中所述分散液放入液氮中冷冻至固体，迅速放到冷冻干燥机中，在1000kw功率下，真空模式下运作8h，待液体完全挥发，即可得到氧化石墨烯多孔材料；
S3：将5份氯化铁、8份硝酸锰和7份磷酸钨加入40份乙醇中，搅拌10min后，加入6份乙烯-醋酸乙烯共聚物，在温度80℃下继续搅拌反应30min，得混合液；
S4：将制得的氧化石墨烯多孔材料加入步骤S3所述混合液中，N 2气氛管式炉中，以加热速率为3℃/min升温至650℃，煅烧2h，制得石墨烯金属复合新材料。
实施例2
S1：将氧化石墨烯加入蒸馏水中超声分散均匀，制成分散液，所得氧化石墨烯溶液的浓度为10mg/mL；
S2：将步骤S1中所述分散液放入液氮中冷冻至固体，迅速放到冷冻干燥机中，在1200kw功率下，真空模式下运作12h，待液体完全挥发，即可得到氧化石墨烯多孔材料；
S3：将9份氯化铁、12份硝酸锰和13份磷酸钨加入50份乙醇中，搅拌30min后，加入10份乙烯-醋酸乙烯共聚物，在温度100℃下继续搅拌反应50min，得混合液；
S4：将制得的氧化石墨烯多孔材料加入步骤S3所述混合液中，N 2气氛管式炉中，以加热速率为5℃/min升温至800℃，煅烧4h，制得石墨烯金属复合新材料。
实施例3
S1：将氧化石墨烯加入蒸馏水中超声分散均匀，制成分散液，所得氧化石墨烯溶液的浓度为7mg/mL；
S2：将步骤S1中所述分散液放入液氮中冷冻至固体，迅速放到冷冻干燥机中，在1050kw功率下，真空模式下运作9h，待液体完全挥发，即可得到氧化石墨烯多孔材料；
S3：将7份氯化铁、9份硝酸锰和8份磷酸钨加入43份乙醇中，搅拌15min后，加入7份乙烯-醋酸乙烯共聚物，在温度85℃下继续搅拌反应35min，得混合液；
S4：将制得的氧化石墨烯多孔材料加入步骤S3所述混合液中，N 2气氛管式炉中，以加热速率为3℃/min升温至700℃，煅烧2.5h，制得石墨烯金属复合新材料。
实施例4
S1：将氧化石墨烯加入蒸馏水中超声分散均匀，制成分散液，所得氧化石墨烯溶液的浓度为9mg/mL；
S2：将步骤S1中所述分散液放入液氮中冷冻至固体，迅速放到冷冻干燥机中，在1150kw功率下，真空模式下运作11h，待液体完全挥发，即可得到氧化石墨烯多孔材料；
S3：将9份氯化铁、11份硝酸锰和12份磷酸钨加入47份乙醇中，搅拌25min后，加入9份乙烯-醋酸乙烯共聚物，在温度95℃下继续搅拌反应45min，得混合液；
S4：将制得的氧化石墨烯多孔材料加入步骤S3所述混合液中，N 2气氛管式炉中，以加热速率为5℃/min升温至750℃，煅烧3.5h，制得石墨烯金属复合新材料。
实施例5
S1：将氧化石墨烯加入蒸馏水中超声分散均匀，制成分散液，所得氧化石墨烯溶液的浓度为8mg/mL；
S2：将步骤S1中所述分散液放入液氮中冷冻至固体，迅速放到冷冻干燥机中，在1100kw功率下，真空模式下运作10h，待液体完全挥发，即可得到氧化石墨烯多孔材料；
S3：将7份氯化铁、10份硝酸锰和9份磷酸钨加入45份乙醇中，搅拌18min后，加入8份乙烯-醋酸乙烯共聚物，在温度90℃下继续搅拌反应40min，得混合液；
S4：将制得的氧化石墨烯多孔材料加入步骤S3所述混合液中，N 2气氛管式炉中，以加热速率为4℃/min升温至750℃，煅烧3.5h，制得石墨烯金属复合新材料。
将上述各个实施例所得材料性能测试，结果如下：
| 试验 | 断裂伸长率（%） | 冲击强度（Mpa） | 体积膨胀率（%） | 容量衰减率（%） |
| 实施例1 | 370 | 49 | 8.5 | 2.7 |
| 实施例2 | 383 | 51 | 7.2 | 2.3 |
| 实施例3 | 391 | 53 | 6.4 | 1.9 |
| 实施例4 | 412 | 58 | 5.9 | 1.6 |
| 实施例5 | 420 | 60 | 5.2 | 1.3 |
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (7)
1.一种石墨烯金属复合新材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将氧化石墨烯加入蒸馏水中超声分散均匀，制成分散液，所得氧化石墨烯溶液的浓度为6-10mg/mL；
S2：将步骤S1中所述分散液放入液氮中冷冻至固体，迅速放到冷冻干燥机中，在1000-1200kw功率下，真空模式下运作8-12h，待液体完全挥发，即可得到氧化石墨烯多孔材料；
S3：将5-9份氯化铁、8-12份硝酸锰和7-13份磷酸钨加入40-50份乙醇中，搅拌10-30min后，加入6-10份乙烯-醋酸乙烯共聚物，在温度80-100℃下继续搅拌反应30-50min，得混合液；
S4：将制得的氧化石墨烯多孔材料加入步骤S3所述混合液中，N 2气氛管式炉中，以加热速率为3-5℃/min升温至650-800℃，煅烧2-4h，制得石墨烯金属复合新材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合新材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述氧化石墨烯溶液的浓度为8mg/mL。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合新材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述在1100kw功率下，真空模式下运作10h。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合新材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中将7份氯化铁、10份硝酸锰和9份磷酸钨加入45份乙醇中，搅拌18min。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合新材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中
加入8份乙烯-醋酸乙烯共聚物，在温度90℃下继续搅拌反应40min。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合新材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述以加热速率为4℃/min升温至750℃，煅烧3.5h。
7.根据权利要求1-6任意一条制备方法所制备得到的石墨烯金属复合新材料。
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