[发明专利]由含碳材料与金属氧化物组成的纳米材料的获得方法

说明书

由含碳材料与金属氧化物组成的纳米材料的获得方法。本发明涉及由两种或多种组分组成的纳米材料的获得方法，其中至少一种组分是含碳材料，且至少另一种组分是金属氧化物。本发明的方法能够在中等压力和温度下在液体介质中以工业化产量制备这些纳米材料，并通过控制合成参数来控制所述纳米材料的理化性质。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体地，涉及由含碳材料(例如石墨烯或活性炭)与金属氧化物纳米颗粒组成的纳米材料的合成。

背景技术

在过去的十年中，科学界报道了大量的例子，其中由石墨烯与金属氧化物组合而成的纳米材料在用作储能系统(ESS)的电极时表现出优异的储能性能。

此外，由碳基和金属氧化物制成的纳米材料已被证实具有优异的性能。然而，为了使这些纳米材料进入ESS市场，还需要克服一系列的挑战：

-以适于具体应用及其使用安全性的产物形式制造这些纳米材料。这包括在设计时考虑最终设备、电解液、设备制造方式等因素。

-以具有市场可接受成本的工业规模进行生产，也就是说，纳米材料的性能能够弥补传统材料(如果有的话)价格的上涨。

此外，根据目前获得纳米材料的现有方法，可根据工艺类型将其分为两大类：根据前体或根据形貌。

在跟据前体获得的方法中，如果产物是由尺寸较小的前体获得，则称为自下而上；如果产物是由尺寸较大的前体获得，或者是将其分解，则称为自上而下。这两种方法都有一定的优缺点，根据所需获得的产物来采用不同的方法。

自下而上的方法在合成纳米颗粒中的使用更加广泛，其中所述纳米颗粒可以以单独的方式合成或作为另一种材料的一部分形成，但这意味着化学反应，而且它们的工艺方法更加复杂，其投资成本非常高。

在自上而下的方法中，产物由尺寸更大的结构获得，制造技术是众所周知的，但所得产物中不合格的比例更大，工艺过程中对产物的可控因素较少。

此外，依据根据形貌获得的方法，近几十年来出现了用于制备石墨烯/纳米颗粒杂合物的新合成方法。这些新方法采用新颖的工艺，对已知的工艺稍作改动，即可生产出所需的产品(Yu,G.；Xie,X.；Pan,L.；Bao,Z.；Cui,E.Hybrid nanostructured materials forhigh-performance electrochemical capacitors.Nano Energy 2013,2(2),213-234)。

更具体地，获得由石墨烯/金属氧化物组成的纳米材料的合成方法可分为以下方式：

(1)用纳米颗粒修饰石墨烯和/或衍生物(r-GO，还原氧化石墨烯和GO，氧化石墨烯)。

(2)用石墨烯或其衍生物包封纳米颗粒。

这两种方法的主要区别在于纳米颗粒的相对尺寸与含碳材料的横向尺寸之间的比例：当纳米颗粒的尺寸在几纳米范围内时，纳米颗粒很小，很容易修饰石墨烯。另一方面，当颗粒尺寸与石墨烯相当时，这种二维碳片可用于包封颗粒，从而形成第二种杂合物。

虽然纳米材料制备技术具有非常广泛的多样性，但是用纳米颗粒修饰石墨烯和/或衍生物的技术仍受到极大关注。这些技术可分为原位和非原位。

在原位技术中，通过热处理(热蒸发或分解)、脉冲激光沉积或溅射技术，在石墨烯的惰性表面上沉积纳米颗粒。在这项技术中，石墨烯无缺陷，具有良好的电子迁移率。然而，与之相关的是高压(10⁴Pa)和高温(1000℃)，这导致产量低，成本高，无法实现工业化。