[发明专利]一种石墨烯外层@磷化镍夹层@镍内层框架复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及电极材料技术领域，具体涉及一种石墨烯外层@磷化镍夹层@镍内层框架复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的石墨烯外层@磷化镍夹层@镍内层框架复合材料的制备方法，包括以下步骤：提供泡沫镍@石墨烯；将所述泡沫镍@石墨烯置于酸性溶液进行刻蚀，得到刻蚀泡沫镍@石墨烯；将所述刻蚀泡沫镍@石墨烯进行磷化处理，得到石墨烯外层@磷化镍夹层@镍内层框架复合材料。采用本发明提供的制备方法能够将磷化镍包裹在石墨烯和泡沫镍的夹层中，提高活性位暴露、传质和电子传输，进而提高复合材料的稳定性和能源转化效率。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，具体涉及一种石墨烯外层@磷化镍夹层 @镍内层框架复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球人口数量的增加和社会经济的不断发展，能源需求也相应地持续增长。非可再生能源的大量使用所引起的能源短缺和环境恶化已是人类21 世纪所面临的最重要的全球性问题之一。能量转化和存储器件的发展为解决能源和环境问题提供了重大机遇，被广泛应用于氢燃料汽车、航空航天、电子产品、人工智能等众多领域，而其电化学性能与电极材料的结构和性质息息相关，设计和研发结构优异的电极材料可以很好地提升电化学性能(如过电势、导电性和比电容等)，从而极大地提高电能的利用率、存储效率和生产效率，进而产生可观的经济效益。

传统的电极材料主要有纯碳基材料(如介孔碳、碳纳米管等)、过渡金属氧化物或氢氧化物，其中，纯碳基材料活性位少且放电容量低；过渡金属氧化物或氢氧化物导电性差和循环稳定性差，抑制了其在能源存储和转化的应用。目前，石墨烯与过渡金属氧化物和氢氧化物的复合材料被广泛研究，不同物相间界面的结合，可以提供不同类型和丰富的活性位点，不同物相还可以调控界面电子传输，使多步反应的连续和快速发生变得可能。

近期研究发现过渡金属磷化物因金属与磷元素3d轨道间作用，表现出类金属性质，相比其它电极材料，更适合做能源转化和存储的电极材料。但目前石墨烯与过渡金属磷化物的报道获得的主要都是粉体材料，在制备成电极时，需要消耗昂贵的导电聚合物，制备过程繁琐，产氢过程中产生的气体会导致粉末脱落，稳定性差。另外，对于粉体材料，石墨烯与过渡金属磷化物间往往因石墨烯的柔性，两者堆叠在一起，两者的空间位置很难调控，从而影响活性位点的暴露和反应过程物质的传输。

中国专利CN104810165B公开了一种制备磷化镍/石墨烯复合薄膜材料的方法，该方法以金属镍基体为载体，将金属镍基体浸入红磷和氧化石墨烯的分散液中，通过水热反应，合成了磷化镍/石墨烯复合薄膜材料，但该方法合成的复合薄膜材料中磷化镍和石墨烯间的作用力非常弱，石墨烯很容易脱落，在实际生产和生活中应用性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯外层@磷化镍夹层@镍内层框架复合材料的制备方法，采用本发明提供的制备方法能够将磷化镍包裹在石墨烯和泡沫镍的夹层中，活性位暴露、传质和电子传输，进而提高复合材料的稳定性和能源转化效率。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种石墨烯外层@磷化镍夹层@镍内层框架复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)提供泡沫镍@石墨烯，所述泡沫镍@石墨烯中石墨烯为壳层，泡沫镍为核层；

(2)将所述泡沫镍@石墨烯置于酸性溶液中进行刻蚀，得到刻蚀泡沫镍@石墨烯；所述酸性溶液中氢离子的浓度为0.05～10mol/L；

(3)将所述刻蚀泡沫镍@石墨烯进行磷化处理，得到石墨烯外层@磷化镍夹层@镍内层框架复合材料。

优选地，步骤(2)所述酸性溶液为酸溶液，或者酸和盐的混合溶液；

所述酸溶液包括硝酸溶液、硫酸溶液、高氯酸溶液、盐酸溶液和氢氟酸溶液中的一种或几种；所述酸溶液的浓度为0.05～5mol/L；