[发明专利]镍钴氧化物/石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种镍钴氧化物/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

复合材料（Composite materials），是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料；各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料是一种混合物，在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。目前对于复合材料的研究涉及很多领域，如纳米磁性材料领域、电池用复合材料领域等。

纳米磁性材料及其应用是当今世界磁性材料研究的热点，因为它既可以应用于制备永磁体，磁记录，磁致冷材料，同时也在生物医学领域及传感器领域等具有越来越重要的应用前景，而纳米磁性氧化物，如Fe₃O₄、Co₃O₄、NiO及其衍生物是纳米磁性材料中研究的热点。将这类氧化物的颗粒尺寸降到纳米级，可以实现纳米尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等，可提高其磁性能。另外，将此类氧化物与其他材料复合形成纳米复合磁性材料是提高其磁学性能的有效途径之一。石墨烯由于其优异的性能，如高的本征迁移率（20000cm²V^-1s^-1）、高的比表面积(2630m²g^-1)、高的热导率(5000Wm^-1K^-1)、高的杨氏模量(~1.0TPa)，再加上其自身的铁磁性、霍尔效应、量子隧道效应等，是形成纳米复合磁性材料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纳米复合磁性材料的报道已有很多，但主要集中在Fe₃O₄基纳米材料，如中国专利申请CN201010502549.2公开了一种制备石墨烯负载四氧化三铁纳米磁性材料的制备方法，该方法采用非原位的制备方法，即先以氧化石墨为前驱体，通过水合肼还原制备石墨烯，再将石墨烯分散在水溶液中，加入可溶性二价或三价铁盐及氨水，经加热反应得到纳米复合材料。另外，中国专利申请CN201210005172.9还公布了一种原位制备石墨烯负载四氧化三铁纳米磁性材料的制备方法，即先将氧化石墨在乙醇和水体系中超声分散，再将可溶性三价或二价铁盐在乙醇中搅拌，然后将上述两溶液搅拌混合在50～90℃反应后得到纳米磁性复合材料。

中国专利申请CN201110134824.4公开了一种醇热法制备钴镍铁氧体/石墨烯磁性纳米复合粉体的方法，包括：(1)在室温下，将氧化石墨和金属盐分别分散到乙二醇溶液中，待溶解后在金属盐溶液中加入聚乙二醇和无水乙酸钠，搅拌氧化石墨溶液和金属盐溶液并混合，形成反应液；(2)将上述反应液倒入反应釜中，升温至180～220℃，反应8～16h；反应结束后，冷却至室温，用磁铁收集产物，分别用去离子水和无水乙醇洗涤，烘干即得。该方法成功的制备了具有低电阻率小、高磁化强度的钴镍铁氧体/石墨烯磁性纳米复合粉体。

但目前尚无镍钴氧化物/石墨烯纳米复合磁性材料的报道。因此，开发镍钴氧化物/石墨烯复合纳米磁性材料具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种磁性能、电化学稳定性和循环性能良好的层状结构的镍钴氧化物/石墨烯复合材料。

本发明还提供了一种层状结构的镍钴氧化物/石墨烯复合材料的制备方法，该方法工艺简单，能耗低、成本低，适合于大规模工业化生产。

本发明发现将镍钴氧化物和石墨烯复合，可用来提高镍钴氧化物的磁学性能、电化学稳定性和循环性能。

一种镍钴氧化物/石墨烯复合材料，为层状结构，由纳米级镍钴氧化物和石墨烯（G）组成，所述的镍钴氧化物的分子式NiCo2O4。

所述的纳米级镍钴氧化物颗粒分散于石墨烯片层中，各石墨烯片层形成层状结构；优选，所述的复合材料中纳米级镍钴氧化物颗粒均匀分散于石墨烯片层中，各石墨烯片层形成层状结构。

为了进一步提高复合材料的应用性能，所述的复合材料中石墨烯的重量百分含量优选为1%～20%，进一步优选为5%～15%。

镍钴氧化物的颗粒直径越小，越易覆载于石墨烯上，复合材料的磁学性能、电化学稳定性和循环性能越好，因此本发明选用纳米级镍钴氧化物，优选，所述的纳米级镍钴氧化物的颗粒直径为1纳米～5纳米。

所述的镍钴氧化物/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：