一种蛋黄结构过渡金属氧化物/石墨烯复合材料及其制备方法与应用_2

文档序号:9419212阅读:来源:国知局
石墨稀复合材料(即Fe304@void@RG0)的扫描电镜图即SEM图;
[0037]图2为实施例1制备的蛋黄结构四氧化三铁/石墨稀复合材料(即Fe304@void@RG0)的透射电镜图即TEM图;
[0038]图3为实施例1制备的蛋黄结构四氧化三铁/石墨稀复合材料(即Fe304@void@RG0)的X射线光电子能谱图;
[0039]图4为实施例1制备的蛋黄结构四氧化三铁/石墨稀复合材料(即Fe304@void@RG0)的红外谱图;
[0040]图5为实施例1制备的蛋黄结构四氧化三铁/石墨稀复合材料(即Fe304@void@RG0)为电极的锂离子电池性能测试图即循环性能曲线;
[0041]图6为实施例1制备的蛋黄结构四氧化三铁/石墨稀复合材料(即Fe304@void@RG0)为电极的锂离子电池库伦效率图;
[0042]图7为实施例2制备的蛋黄结构四氧化三铁/石墨稀复合材料(即Fe304@void@RG0)用于锂离子电池电极材料时电性能测试曲线即循环性能曲线;
[0043]图8为实施例3制备的蛋黄结构四氧化三铁/石墨稀复合材料(即Fe304@void@RGO)用于锂离子电池电极材料时电性能测试曲线即循环性能曲线;
[0044]图9为实施例1和实施例4所制备的复合材料用于锂离子电池电极材料时电性能测试曲线即循环性能曲线;
[0045]图10为实施例6制备的蛋黄结构三氧化二铁/石墨稀复合材料(即Fe203@void@RG0)用于锂离子电池电极材料时电性能测试曲线即循环性能曲线;
[0046]图11为实施例7制备的蛋黄结构二氧化猛/石墨稀复合材料(即MnO2OvoidtrGO)用于锂离子电池电极材料时电性能测试曲线即循环性能曲线;
[0047]图12为实施例8制备的蛋黄结构四氧化三钴/石墨稀复合材料(即Co304@void@RG0)用于锂离子电池电极材料时电性能测试曲线即循环性能曲线。
【具体实施方式】
[0048]下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
[0049]实施例1
[0050]—种蛋黄结构过渡金属氧化物/石墨烯复合材料的制备方法,具体包括以下步骤:
[0051](I)氧化石墨烯的合成
[0052]通过改进的Hmnmers法制备氧化石墨稀,具体流程如下:冰浴条件下,向盛有5g硝酸钠和2g石墨混合物的100mL烧瓶中加入300mL浓硫酸(质量百分比浓度为98% ),搅拌反应Ih (搅拌的转速为1000r/min),随后分10次逐步加入30g高锰酸钾,控制反应温度10°C以内,随后室温反应24h,再将烧瓶转移至油浴加热,保持温度98°C,加入300mL去离子水,反应24h,溶液颜色从黑色转变成棕黄色;加入10mL质量百分数为35%的双氧水,反应lh,还原残留氧化物,采用质量百分比浓度为5%盐酸溶液洗涤和去离子水洗涤至弱酸性(pH为4),于-50°C温度冻干,得到氧化石墨烯;将氧化石墨烯用去离子水配成氧化石墨烯溶液,备用;
[0053](2)表面改性四氧化三铁纳米颗粒的合成
[0054]取80mg四氧化三铁纳米颗粒和16mL去离子水分散于64mL乙醇中,超声分散30min (功率500W,频率80KHz),得到分散液;在50°C水浴条件下,向分散液中加入0.5mL正硅酸乙酯和ImL质量百分数为25%氨水溶液,反应6h ;然后,加入0.1mL 3-氨丙基三乙氧基硅烷,以1000r/min的转速搅拌3h,置于水热釜中,于100°C水热反应24h,再用去离子水洗涤5次,于60°C真空干燥10h,得到表面改性的四氧化三铁纳米颗粒;
[0055](3)蛋黄结构四氧化三铁/石墨稀复合材料的合成
[0056]取50mg上述表面改性的四氧化三铁颗粒分散于20mL去离子水中,得到分散液;在搅拌条件下(搅拌的转速为lOOOr/min),向分散液中加入稀盐酸溶液(质量百分比浓度为5% )调节至pH = 2.5,加入50mL浓度为lmg/mL的氧化石墨稀溶液,搅拌30min,得到混合物;随后将混合物置于水热釜中,于180°C水热反应12h,得到水热反应的产物;将10mg水热反应的产物加入50mL浓度为5M的KOH溶液中搅拌反应10h,离心水洗至中性,再在60°C的真空干燥箱中干燥10h,得到蛋黄结构四氧化三铁/石墨烯复合材料。该复合材料的结构表征如图1?4所示;该复合材料作为锂离子电池的电极材料时,电化学性能测试如图5、6、9所示。
[0057]图1为本实施例制备的蛋黄结构四氧化三铁/石墨烯复合材料的SEM图,图2为本实施例制备的蛋黄结构四氧化三铁/石墨烯复合材料的TEM图。从图中可以看出,本实施例制备的四氧化三铁/石墨烯复合材料具有蛋黄结构。
[0058]图3为本实施例制备的蛋黄结构四氧化三铁/石墨烯复合材料的X射线光电子能谱图。可以看到,本实施例制备的复合材料中含有且只含有碳、氧和铁元素,几乎不含其他杂质。通过对峰强度的换算可以得出各元素原子数的相对百分含量,其中氧原子数占总原子数的47.8%,铁原子数占总原子数的18.8%,碳原子数占总原子数的33.4%。图4为本实施例制备的蛋黄结构四氧化三铁/石墨烯复合材料的红外谱图。
[0059]图5和图6分别为实施例1制备的蛋黄结构四氧化三铁/石墨烯复合材料的循环曲线和库伦效率曲线。由图5可知,电比容量由初始的1900mAh.g 1下降至1280mAh.g 1并保持稳定,经过250圈的循环后,所制备的电池充放电比容量依旧保持在1273.4mAh-g 1O由图6可知,库伦效率由初始的67%迅速上升,随后维持在95%以上。
[0060]实施例2
[0061]—种蛋黄结构过渡金属氧化物/石墨烯复合材料的制备方法,具体包括以下步骤:
[0062](I)氧化石墨烯的合成
[0063]通过改进的Hmnmers法制备氧化石墨稀,具体流程如下:冰浴条件下,向盛有Ig硝酸钠和3g石墨混合物的100mL烧瓶中加入10mL质量分数为98 %的浓硫酸,搅拌反应(搅拌速度为500r/min,搅拌时间为0.5h),随后分5次逐步添加15g高锰酸钾,控制反应温度6°C以内,随后室温反应时间10h,将烧瓶转移至油浴加热,保持温度90°C,加入10mL去离子水,反应2h,溶液颜色从黑色转变成棕黄色;加入50mL质量百分比浓度为35%的双氧水,反应lh,还原残留氧化物,采用质量分数为3%盐酸溶液洗涤和去离子水洗涤至pH = 3后,于_50°C温度下冻干,得到氧化石墨烯;将氧化石墨烯用去离子水配成氧化石墨烯溶液,备用;
[0064](2)表面改性四氧化三铁纳米颗粒的合成
[0065]取80mg四氧化三铁纳米颗粒和16mL去离子水分散于120mL乙醇中,超声分散20min (功率100W,频率20KHz),得到分散液;在20°C水浴条件下,向分散液中加入0.5mL正硅酸乙酯和ImL质量百分数为25%的氨水溶液,反应3h ;然后,加入0.1mL的3-氨丙基三乙氧基硅烷,搅拌Ih (搅拌速度为500r/min),再置于水热釜中于100°C水热反应24h,得到水热反应产物;将产物采用去离子水洗涤3次,于50°C真空干燥10h,得到表面改性的四氧化三铁纳米颗粒;
[0066](3)蛋黄结构四氧化三铁/石墨稀复合材料的合成
[0067]取1mg上述表面改性的四氧化三铁颗粒分散于1mL去离子水中,得到分散液;在搅拌条件下(转速为500r/min),加入质量浓度为3%的稀盐酸溶液调节分散液至pH =4,加入50mL浓度为lmg/mL的氧化石墨稀溶液,搅拌0.5h,得到混合物;随后将混合物置于水热釜中于150°C水热反应10h,得到水热反应产物;将水热反应产物(无需经过灼烧处理)加入浓度为IM的KOH溶液中(其中水热反应产物与KOH溶液的质量体积比为250mg:130mL),搅拌反应5h(转速为500r/min),离心水洗至中性,将所得固体置于50°C的真空干燥箱中干燥15h,得到蛋黄结构四氧化三铁/石墨烯复合材料。将本实施
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