[发明专利]一种负载金属氧化物纳米粒子的石墨烯微纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种负载金属氧化物纳米粒子的石墨烯微纤维及其制备方法和应用，步骤如下：首先将氧化石墨烯水溶液通过圆形喷头注入含有金属离子的凝固浴中，通过强剪切力场的作用得到不连续的含有金属离子的石墨烯微纤维，在自然干燥后经过保护气氛下的控温煅烧，最终得到负载金属氧化物纳米粒子的石墨烯微纤维。所得的复合微纤维具有丰富的多级结构，兼具丰富的活性位点与较好的导电性，在传感、储能以及催化等方面拥有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于石墨烯复合材料领域，涉及一种负载金属氧化物纳米粒子的石墨烯微纤维。

背景技术

石墨烯，作为一种典型的由碳原子构成的二维材料，因其特殊的物理化学性质而得到科学界和企业界的青睐。在这些独特的性质中，其超高的电导率、较大的比表面积以及良好的柔韧性，使得石墨烯具有成为优秀电极材料的潜质。然而，石墨烯本身的活性较低，远远不能使其媲美其他传统的电极材料，无法满足人们的生产生活需求。

以石墨烯作为基底，引入其他高活性的电极材料，成为提高石墨烯基材料使用价值的有效途径。作为传统的电极材料，金属氧化物因其超高比容量、较低电化学反应势垒以及简单易行的制备方法，已经得到了大力推广。因此以金属氧化物负载石墨烯，成为了获得既有高活性高容量又有高导电性高循环性的重要途经。目前制备负载金属氧化物的石墨烯基材料的方法主要包括物理共混以及化学合成两种，石墨烯主要是作为导电添加剂辅助金属氧化物的性能释放。

然而，目前负载金属氧化物的石墨烯材料仍然面临着诸多问题：(1)物理共混的方法通常需要分别得到各自分散的石墨烯与金属氧化物，通过机械力或者吸附作用并不能保证金属氧化物和石墨烯能分子级完全均匀复合，一般存在严重的分相团聚等现象，大大降低材料活性与稳定性；(2)化学合成通常以石墨烯基体原位生长金属氧化物，石墨烯通常成为无序的褶皱体，且容易造成各物相的堆叠与无序生长，从而影响电化学性能的稳定发挥。故而，通过传统的制备方法一般无法保证获得物相均匀、不易堆叠、稳定性高的负载金属氧化物的石墨烯材料。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种制备方法皆可以规模化，更稳定更高效的电极性能，较传统商业碳基材料性能大幅提高，负载金属氧化物纳米粒子的石墨烯微纤维。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种负载金属氧化物纳米粒子的石墨烯微纤维的制备方法，具体步骤如下：

(1)将氧化石墨烯水相分散液通过圆形纺丝头注入含有金属离子的水溶液凝固浴中，使氧化石墨烯挤出成型后得到交联；氧化石墨烯挤出速率为1～10毫米每分钟，金属离子为铁、钴或镍过渡金属离子，离子浓度为1～10％质量分数；

(2)以10～100转每分钟的速度高速搅拌凝固浴，使氧化石墨烯不能连续化挤出，利用流场将其剪切为微米级水凝胶；

(3)将上述微米级水凝胶过滤干燥，并置于管式炉中在保护气下进行煅烧，获得负载金属氧化物纳米粒子的石墨烯微纤维。

优选的，所述步骤(3)的煅烧温度为300～600℃，煅烧时间为2～8小时。

优选的，所述步骤1中以铁离子5％质量分数作为交联剂，步骤2中流场速度为50转每分钟，步骤3热处理为450℃度煅烧5小时。

为了解决上述技术问题，本发明提出另一技术方案是：任一所述方法制备的负载金属氧化物纳米粒子的石墨烯微纤维。

为了解决上述技术问题，本发明提出另一技术方案是：所述的负载金属氧化物纳米粒子的石墨烯微纤维应用，可应用为锂离子电池负极材料。

优选的，步骤(1)中以铁离子作为交联剂，步骤(2)中流场速度为50转每分钟，步骤(3)热处理为450℃煅烧5小时，其锂离子负极性能：比容量为900mAh/g，经过250次充放电循环仍没有性能损失。

一种负载金属氧化物纳米粒子的石墨烯微纤维的制备方法，它的步骤如下：