[发明专利]一种三维石墨烯包覆MOF的复合物电极材料及其制备方法

说明书

本发明属于电池材料技术领域，具体为一种三维石墨烯包覆MOF的复合物电极材料及其制备方法。为了解决MOF及其衍生物在循环过程中体积膨胀较大，离子传输受限和导电性差等问题，本发明采用Ostwald熟化理论将MOF材料包裹在三维石墨烯里面，形成的三维石墨烯包裹的MOF气凝胶，然后通过热转化合成三维石墨烯包裹的MOF衍生物凝胶，这些气凝胶被压实成柔性的薄膜，直接作为电池电极材料。本发明制备方法简单，原料资源丰富，价格低廉；电极的比容量大，快速充放电能力强，循环寿命长等，有望大规模制备高性能柔性电子器件。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及锂、钠离子电池正负极材料及其制备方法。

背景技术

目前，商业化的锂离子电池多采用含锂的过度金属氧化物作为储锂正极，石墨作为负极，但是容量不够高，不能满足人们日常生活的需求，循环稳定性不好等问题制约电池的发展。金属有机框架(metal-organic frameworks, MOFs)材料是将有机配体和金属离子通过自组装形成的具有重复网络结构的一种类沸石材料,是近几十年来配位化学领域中发展得比较快的新材料。与传统的无机多孔材料相比,MOFs材料具有更大的空隙率和比表面积,尤其是可调节的孔径以及可变的功能基团。目前,MOFs材料已经应用于氢气存储、药物运载、催化反应、生物传感器、气体吸附与分离等方面。金属有机框架材料的研究涉及有机化学、无机化学、配位化学、材料化学、生命科学以及计算机科学等学科的最新成果,因而近年来MOFs受到越来越多研究团队的关注。

其中，MOFs材料具有多孔性及大的比表面积可以缓解锂、钠等金属离子插层脱嵌过程中造成的体积膨胀，有利用离子的传输。在大电流充放电过程中优势尤为明显。

目前最好的MOF材料（金属有机材料）无论在体积存储量还是质量存储量都要优于传统的沸石和活性炭材料以及其他新兴的多孔材料，杰出的存储性能也表明了这类材料应用于汽车上的巨大前景。随着不同领域的科学家逐渐加入到MOF的研究领域，越来越多新颖的性能被开发，一些多功能的MOF材料也逐渐出现。因此设计新的MOF材料具有重要意义。

石墨烯具有比表面大、导电性好、柔韧性好等特点，其与共轭芳香羰基化合物之间具有π-π相互作用，可使MOF颗粒吸附在石墨烯表面，且石墨烯作为柔韧的二维材料，可以将MOF纳米颗粒包裹起来。为解决MOF类材料导电性差的问题，本发明通过静电吸附将石墨烯与MOF原位复合，再利用Ostwald 原理将石墨烯/MOF复合物组装成三维石墨烯包裹的MOF气凝胶，然后再通过煅烧将其转化为三维石墨烯包裹的MOF衍生物气凝胶。这些气凝胶可以被压实成薄膜，制备出高性能的自支撑柔性电极材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种比容量高、循环寿命、可大规模生产的三维石墨烯包覆MOF的复合物电极材料及其制备方法。

本发明提供的三维石墨烯包覆MOF的复合物电极材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）制备氧化石墨烯水溶液：

采用改进hummers法制备氧化石墨烯，具体是：取0.5~5 g 325目~8000目鳞片石墨粉，加入0.2~2.5 g的硝酸钠粉末，然后加入10~120 ml酸（如浓硫酸、浓磷酸、浓硝酸之中的一种或者多种），搅拌5~30 min，在冰水浴的情况下缓慢加入2~20 g的钾盐（如 高锰酸钾、高氯酸钾、碳酸钾中的一种或者多种），在30~40 ℃水浴中搅拌0.5~3 h，随后加入少量的水，继续反应10~30 min，再加入100 ml以上的大量水，反应 5~20 min，然后加入适量过氧化氢至溶液变为金黄色；

将溶液静置沉降，然后倾析除去上层清液，加入适量5%~10%的盐酸，分装入离心管中高速离心，弃去上层清液，随后用去离子水洗至中性，收集水洗后产物，加入适量去离子水超声分散，得到氧化石墨烯水溶液；

（2）制备MOF与氧化石墨烯的复合物：