[发明专利]一种石墨烯负载八面体氧化镍复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种作为锂离子电池电极材料的石墨烯基纳米复合材料，特别是一种石墨烯负载八面体氧化镍复合材料及其制备方法，属于电化学和材料合成技术领域。

背景技术

纳米氧化镍在电化学、磁学和催化学方面有独特的性质，广泛应用于催化领域、电池领域、磁性材料领域和气体传感器领域，是一种很有应用前景的功能性无机材料。NiO纳米材料的很多特殊的性能是依赖于其新颖的尺寸大小及其表面的形貌结构。目前已经有许多的科研工作者在研究制备具有新颖的尺寸大小和形貌结构的氧化镍纳米结构材料方面取得了一定的成绩。

尽管在NiO纳米结构材料的制备合成研究和结构尺寸的设计调控方面，前人已经做了许许多多的研究工作。但是对于开发出NiO纳米结构材料合成的新方法及其新颖尺寸结构的构建和设计调控，仍然很有必要再做更进一步、更为深入的研究工作。对以大小、形状和表面结构为功能导向的NiO纳米结构材料工程的研究探索是发展和设计先进材料科学领域的前沿之一。能够深刻研究并了解氧化镍纳米材料的结构和性能之间的联系对于今后更好的设计和开发出具有理想性能的氧化镍纳米材料有很大的现实指导性意义。

石墨烯作为一种新型的碳材料，超大而完美的sp²杂化体系使其具有无与伦比的面内电荷传输性能，单分子层的厚度又使其具有超高的理论表面积。尤其是具有柔性的石墨烯超薄片可以通过自组装的形式堆砌成三维立体导电网络，这种特殊结构不仅有利于电活性物质和集流体之间的电荷转移；也有利于电解质中荷电组分的迁移和渗透，大大缩短其扩散行程，从而促使电化学反应的快速进行。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨烯负载八面体氧化镍复合材料及其制备方法。开发出新型结构的氧化镍/石墨烯复合材料，掌握不同结构的氧化镍/石墨烯复合材料对锂离子电池的性能影响，制备出高容量的，不同结构的绿色环保的锂离子电池电极材料。本发明典型的结构特征为八面体结构的氧化镍在单层的石墨烯片上生长。石墨烯作为基体骨架，八面体氧化镍在骨架上生长。作为基体骨架的石墨烯具有非常好的导电性，八面体氧化镍颗粒之间通过石墨烯基体实现良好的导电性，提高了复合材料表观电导率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种石墨烯负载八面体氧化镍复合材料，以单层石墨烯作为基体骨架，八面体氧化镍在单层石墨烯上生长，生长在石墨烯片上的八面体氧化镍颗粒尺寸在10-150nm之间；复合石墨烯纳米片的平面尺寸在0.1-50μm，厚度在1-20nm。

一种制备石墨烯负载八面体氧化镍复合材料的方法，具体步骤为：

a. 称取一定质量干的石墨烯氧化物固体，加入有机溶剂超声溶解；

b. 称取一定量的水溶性镍盐，沉淀剂和表面活性剂，溶解在步骤a制备的溶液中，搅拌均匀；

c. 在磁力搅拌器不断搅拌下，将步骤b制备的溶液在油浴100~160℃下回流6~20 h，离心，乙醇洗三次，得到前驱体；

d. 将制备的前驱体在60℃下干燥，干燥完成后将制备的前驱体样品放在石英舟中并放入管式电阻炉中，在300℃和惰性气体保护下煅烧，接着300~500℃在马弗炉中煅烧，最终制备得到石墨烯负载八面体氧化镍复合材料。

上述步骤a中所述的有机溶剂为丙酮、乙醇、乙二醇、异丙醇、氮-甲基吡咯烷酮、二甲亚砜、二甲基甲酰胺、四氢呋喃中的一种。

上述步骤b中所述的水溶性镍盐为氯化镍、硝酸镍、硫酸镍中的一种。

上述步骤b中所述的沉淀剂为尿素、氨水、碳酸氢铵中的一种。

上述步骤b中所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮中的一种。

上述步骤b中所述的水溶性镍盐、沉淀剂和表面活性剂按照化学计量比配料。

上述步骤d中所述的惰性气体为氮气、氩气中的一种。

石墨烯氧化物的制备，请参见Yuxi Xu等在J. AM.CHEM.SOC.,130(18),5856(2008)中所描述的来制备。在制备过程中，首先利用浓硫酸、过硫酸钾、五氧化二磷将天然石墨粉进行初步的预氧化，然后再利用高锰酸钾和浓硫酸进行二次氧化，形成氧化石墨，最后将得到的氧化石墨进行酸洗，除去溶液中的重金属离子，在经过水洗，离心，烘干，得到干的氧化石墨固体，将干的氧化石墨放在阴暗处待用。

同其他的氧化镍，氧化镍/石墨烯复合材料相比，我们制备的这种纳米复合材料具有如下的突出的结构特点。本发明制备的突出特点在于：