一种氧化石墨烯/SiO2复合材料的应用的制作方法与工艺

本发明涉及无机复合材料和新能源技术的交叉领域，具体涉及一种氧化石墨烯/SiO2无机复合材料及在新能源领域的应用。

背景技术：
能源和环境问题是目前人类亟需解决的两大问题。在化石能源日渐枯竭，环境污染日益严重，全球气候变暖的今天，寻求替代传统化石能源的可再生绿色能源，谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。对于新型的、绿色、储能器件，在关切其绿色的同时，高功率密度，高能量密度则是其是否可以真正替代传统能量储运体系的重要指标。新型的电源体系，特别是二次电池或者超级电容器是目前重要的绿色储能装置，而其中核心部分是性能优异的储能材料。各种碳质材料，特别是sp2杂化的碳质材料，由于其特殊的层状结构或者超大的比表面积，成为重要的储能材料或者储能体系的电极材料。作为sp2杂化碳质材料的基元结构的单层石墨——石墨烯(graphene)，成为碳质电极材料的重要选择。氧化石墨烯因原料易得而受到欢迎，氧化石墨烯除了可作为制备石墨烯的原料外，还因为氧化石墨烯是层状氧化石墨的一层，其表面含有一定数量的含氧官能团，如羟基、环氧基、羧基、羰基等，当氧化石墨烯的含氧量较低时具有一定的导电性，因此还可作为制备复合材料的功能性组份之一。大比表面积和良好的电化学稳定性是使材料具备储电性能的必备条件，由于氧化石墨烯易因层间范德华力堆叠形成多层紧密结构，难以发挥大比表面积的优势，因此目前单一氧化石墨烯材料存在着易堆叠、电化学稳定性低、储电性能欠佳等问题。申请号为200910031025.7的中国专利，公开了一种氧化石墨烯/聚苯胺超级电容器复合电极材料及其制备方法，该发明将氧化石墨烯/聚苯胺复合材料作为超级电容器、电池的储电系统的电极材料。聚苯胺作为储电材料主要是通过赝电容机理实现的，具有较高的比容量，但也存在受环境因素影响而导致性能稳定性欠佳的问题，因此，提高储电材料本身的化学和电化学稳定性是亟待解决的问题。

技术实现要素：
为解决目前单一氧化石墨烯材料易堆叠、电化学稳定性低、储电性能欠佳等问题，本发明提出了一种氧化石墨烯/SiO2复合材料的应用，本发明所用的原材料普通易得，成本低廉，制备过程简单安全，能耗低，可操作性强，复合材料具有良好的储电性能。本发明是通过以下技术方案实现的：一种氧化石墨烯/SiO2复合材料的应用，所述的一种氧化石墨烯/SiO2复合材料使用步骤为：(1)氧化石墨烯分散液的制备：将氧化石墨烯在溶剂中制成浓度大于1.0×10-4mg/mL的悬浮液，经超声分散处理后形成氧化石墨烯分散液；所述的氧化石墨烯选自固态氧化石墨烯或氧化石墨烯的悬浮液中一种。氧化石墨烯由固态氧化石墨或氧化石墨悬浮液剥离，或直接由石墨的氧化、剥离获取，所述的氧化石墨的剥离包括力(如超声振荡、插层剥离等)、热(如热膨胀、溶剂热、化学反应等)、电(如电化学法)、光等多种方式。所述的直接由石墨的氧化、剥离获取，包括石墨的化学氧化剥离法、石墨的电化学氧化剥离等。作为优选，超声分散的超声功率为大于20瓦，时间大于10分钟。溶剂选自水、有机溶剂、无机溶剂、离子液体中一种或几种任意比例的混合物。其中，离子液体选自烷基季铵离子、1，3-二烷基取代的咪唑离子、N-烷基取代的吡啶离子中一种或几种，有机溶剂选自醇类、胺类、醛酮类、醚类、脂类、烃类、氯代烃类、酸、酸苷类中一种或几种、无机溶剂选自液氨、水合肼中的一种或几种。(2)氧化石墨烯/SiO2的制备：在步骤(1)得到的氧化石墨烯的分散液中加入硅前驱体或者硅前驱体的含水混合物制成反应混合物，调节反应混合物的pH值，使pH值不等于7，搅拌混合反应，其中反应混合物中水与硅前驱体的摩尔比大于4∶1；所述的氧化石墨烯/SiO2复合材料具备纳米复合结构，SiO2以纳米形式存在于复合材料中在一定程度上阻止了石墨烯的层间堆叠，有效提高了氧化石墨烯面积的有效利用率。所述的硅前驱体选自硅酸酯类或硅酸盐类，当选用硅酸酯类的硅前驱体时，使用酸性或碱性物质调节pH值，使体系为酸或碱性，所述pH值范围为1～14(pH＝7除外)，反应条件为在5～60℃时反应10分钟～10小时；当选用硅酸盐类的硅前驱体时，使用酸性物质调节pH值，所述的pH值范围为1～7(pH＝7除外)，混合反应条件为在5～90℃反应30分钟～15小时。作为优选，所述的硅前驱体选自正硅酸四乙酯、正硅酸四甲酯、硅酸钠、硅酸钾等中的一种或几种。氧化石墨烯与硅前驱体的质量比为2.9×10-4～275∶1，作为优选，氧化石墨烯与硅前驱体的质量比0.011～0.850∶1，(3)产物后处理：收集步骤(2)的产物，清洗、干燥后得到氧化石墨烯/SiO2复合材料；所述的产物后处理通过用沉降、过滤、减压蒸馏等方法对产物进行收集，然后洗涤除去未反应完的原料、杂质或副产物使产物最终为中性或大致呈中性，再使用普通烘箱、鼓风烘箱、真空干燥箱或真空冷冻干燥箱等进行干燥。(4)将步骤(3)得到的氧化石墨烯/SiO2复合材料和导电剂混合后用粘结剂压制在集流体上制成电极材料或进一步组装成储电元件。将氧化石墨烯/SiO2复合材料和导电剂(导电炭黑)混合后用粘结剂(PTFE)压制在集流体上制成电极材料，或进一步组装成储电元件后，可以实现对电荷的储存与释放。检测仪器可选用电化学工作站或电池测试系统，复合材料的储电比容量为101～102F/g数量级。所述的氧化石墨烯/SiO2复合材料中氧化石墨烯是片状结构，片层数n＝1～10，所述的SiO2是纳米结构，氧化石墨烯和SiO2结合成片状结构。作为优选，所述的氧化石墨烯中碳原子与氧原子的摩尔比大于6。本发明的一种氧化石墨烯/SiO2复合材料由氧化石墨烯和SiO2两组份制成，两组份的质量百分比分别为氧化石墨烯0.1～99.9％和SiO20.1～99.9％。本发明将SiO2引入到氧化石墨烯的表面，在提高氧化石墨烯比表面积利用率的同时具备一定的电化学储电特性，可以通过对氧化石墨烯和硅前驱体(硅酸盐类或硅酸钾)的投料比进行调控，从而控制产物中氧化石墨烯和SiO2的质量分数在0.1～99.9％之间。作为优选，两组份的质量百分比分别为氧化石墨烯5～60％和SiO240～95％。当氧化石墨烯组份在复合材料中的含量过高时，较难以单层或少数几层分散在复合材料中，当氧化石墨烯组份在复合材料中的含量过少时，过量的纳米SiO2以团聚体的形式存在于复合材料中，难以形成均匀的复合材料。当氧化石墨烯和SiO2的含量适中时，氧化石墨烯主要以单层或少数几层的形式分散在复合材料中，SiO2以纳米形式均匀地存在于复合材料中。通过SiO2的负载作用，氧化石墨烯的层间堆叠作用得到有效改善。所述的氧化石墨烯是片状结构，片层数n＝1～10，所述的SiO2是纳米结构，所述的复合材料结构中氧化石墨烯和SiO2结合成片状结构。所述的氧化石墨烯为碳原子构成的二维片状结构，所述的SiO2为无定型纳米结构，二者的复合材料维持了其薄层结构，片层数n＝1～10，SiO2具备纳米尺寸，纳米粒子大小5～30纳米，因此复合材料具备了较大的比表面积，为102～103m2/g数量级。作为优选，所述的氧化石墨烯中碳原子与氧原子的摩尔比大于6。所述的氧化石墨烯中碳原子和氧原子的摩尔比大于6，该比例越高，氧化石墨烯或所得复合材料的导电性能越好。本发明所述的一种氧化石墨烯/SiO2复合材料在储电领域上的应用。本发明通过SiO2的引入有效抗衡氧化石墨烯片层之间的堆叠作用，在提高片层比表面积利用率的同时，增强材料的电化学稳定性，从而实现氧化石墨烯/SiO2复合材料在储电领域的应用。与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明的复合材料中两组分高度分散，有效防止了氧化石墨烯的层间堆叠和SiO2粒子间的团聚，提高了氧化石墨烯的比表面积利用率及复合材料的比表面积；(2)本发明的复合材料相对于单一的氧化石墨烯而言，具有更好的电化学储电性能；(3)制备工艺简单，所采用的原材料普通易得，成本低廉，制备过程简单安全，能耗低，可操作性强。附图说明图1是实施例的氧化石墨烯/SiO2复合材料的微观形貌图片；图2是实施例中同等反应条件下不添加氧化石墨烯时制备的SiO2样品的微观形貌图片。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。该实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。实施例中所用的原料均可市购，其中氧化石墨烯是片状结构，片层数n＝1～10。实施例1(1)氧化石墨烯分散液的制备：以正丁醇为溶剂配制含0.1g氧化石墨烯(碳∶氧摩尔比约等于8)的悬浮液1L，经超声振荡(50W)1小时，形成氧化石墨烯的分散液。(2)氧化石墨烯/SiO2的制备：向第一步所得的氧化石墨烯分散液中加入346.9g正硅酸四乙酯(约1.665mol)的含水混合物(含水200g，约11.111mol)制成反应混合物，用磷酸调节pH值为3～5，使混合物为中强酸性，在60℃磁力搅拌反应8小时。(3)产物后处理：用减压蒸馏方式脱除溶剂，压力-0.1MPa，温度为110℃。将收集的产物反复洗涤，以清洗掉各种未反应完的原料、杂质或副产物，置于100℃真空干燥箱8h，得到氧化石墨烯/SiO2复合材料1。实施例1获得的氧化石墨烯/SiO2复合材料1中硅前躯体的转化率近似等于100％，氧化石墨烯的质量大约为：0.1g，SiO2的质量大约为99.9g，氧化石墨烯的质量分数约为：0.1％。(4)将氧化石墨烯/SiO2复合材料1∶导电炭黑∶PTFE按照85∶10∶5的质量比例混合均匀后压制在泡沫镍上制成单电极。经电化学检测，氧化石墨烯/SiO2复合材料1的储电比容量约为21F/g。实施例2：(1)氧化石墨烯分散液的制备：以水为溶剂配制含0.45g氧化石墨烯(碳∶氧摩尔比约等于8)的悬浮液1L，经超声振荡(100W)1小时，形成氧化石墨烯的分散液。(2)氧化石墨烯/SiO2的制备：将第一步所得的氧化石墨烯分散液、30g正硅酸四乙酯(约0.144mol)的含水混合物(含水50g，约2.777mol)制成反应混合物，用氨水调节反应混合物的pH值为8～10，使混合物为弱碱性，在5℃磁力搅拌反应10小时。(3)产物后处理：用高速离心机对第二步的产物进行沉降，静置后收集产物，可重复操作多次。将收集的产物反复洗涤，以清洗掉各种未反应完的原料、杂质或副产物，80℃真空干燥箱10小时，氧化石墨烯/SiO2复合材料2。实施例2获得的氧化石墨烯/SiO2复合材料2中硅前躯体的转化率近似为100％，氧化石墨烯的质量大约为：0.45g，SiO2的质量大约为8.6g，氧化石墨烯的质量分数约为：5％。(4)将氧化石墨烯/SiO2复合材料2∶导电炭黑∶PTFE按照85∶10∶5的质量比例混合均匀后压制在泡沫镍上制成单电极。经电化学检测，氧化石墨烯/SiO2复合材料2的储电比容量约为53F/g。实施例3：(1)氧化石墨烯分散液的制备：以1，4-二氧六环∶水(约10mol)体积比为10∶1的混合溶剂配制含0.5g氧化石墨烯(碳∶氧摩尔比约等于8)的悬浮液2L，经超声振荡(250W)1小时，形成氧化石墨烯的分散液。(2)氧化石墨烯/SiO2的制备：向第一步所得的氧化石墨烯分散液中加入3.7g正硅酸四甲酯(约0.035mol)制成反应混合物，用对甲苯磺酸调节pH值为5～6.5，使混合物为弱酸性，在5℃磁力搅拌反应15小时。(3)产物后处理：用减压蒸馏方式脱除溶剂，压力-0.1MPa，温度为100℃。将收集的产物反复洗涤，以清洗掉各种未反应完的原料、杂质或副产物，置于100℃真空干燥箱8h后得到氧化石墨烯/SiO2复合材料3。实施例3得到的氧化石墨烯/SiO2复合材料3中硅前躯体的转化率近似等于96％，氧化石墨烯的质量大约为：0.5g，SiO2的质量大约为2.0g，氧化石墨烯的质量分数约为：20％。(4)将氧化石墨烯/SiO2复合材料3∶导电炭黑∶PTFE按照85∶10∶5的质量比例混合均匀后压制在泡沫镍上制成单电极。经电化学检测，氧化石墨烯/SiO2复合材料3的储电比容量约为87F/g。实施例4：(1)氧化石墨烯分散液的制备：以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂配制含2.0g氧化石墨烯(碳∶氧摩尔比约等于8)的悬浮液2L，经超声振荡(250W)1小时，形成氧化石墨烯的分散液。(2)氧化石墨烯/SiO2的制备：向第一步所得的氧化石墨烯分散液中加入2.4g正硅酸四甲酯(约0.023mol)的含水溶液(含水50g，约2.777mol)制成反应混合物，用氢氧化钠调节pH值为12～13，使混合物为强碱性，在60℃磁力搅拌反应4小时。(3)产物后处理：用减压蒸馏方式脱除溶剂，压力-0.1MPa，温度为100℃。将收集的产物反复洗涤，以清洗掉各种未反应完的原料、杂质或副产物，置于100℃真空干燥箱8h后得到氧化石墨烯/SiO2复合材料4。实施例4获得的氧化石墨烯/SiO2复合材料4中硅前躯体的转化率近似等于98％，氧化石墨烯的质量大约为：2g，SiO2的质量大约为1.33g，氧化石墨烯的质量分数约为：60％。(4)将氧化石墨烯/SiO2复合材料4∶导电炭黑∶PTFE按照85∶10∶5的质量比例混合均匀后压制在泡沫镍上制成单电极。经电化学检测，氧化石墨烯/SiO2复合材料4的储电比容量约为167F/g。实施例5(1)氧化石墨烯分散液的制备：以乙醇∶水(约101mol)体积比10∶1为混合溶剂配制含9.99g氧化石墨烯(碳∶氧摩尔比约等于8)的悬浮液20L，经超声振荡(300W)1小时，形成氧化石墨烯的分散液。(2)氧化石墨烯/SiO2的制备：向第一步所得的氧化石墨烯分散液中加入0.06g正硅酸四乙酯(约2.88×10-4mol)制成反应混合物，用柠檬酸调节pH值为5～6，使混合物为弱酸性，在50℃磁力搅拌反应8小时。(3)产物后处理：用减压蒸馏方式脱除溶剂，压力-0.1MPa，温度为50～60℃。将收集的产物反复洗涤，以清洗掉各种未反应完的原料、杂质或副产物，置于100℃真空干燥箱10h后得到氧化石墨烯/SiO2复合材料5。实施例5获得的氧化石墨烯/SiO2复合材料5中硅前躯体的转化率近似等于60％，氧化石墨烯的质量大约为：9.99g，SiO2的质量大约为0.01g，氧化石墨烯的质量分数约为：99.9％。(4)将氧化石墨烯/SiO2复合材料5∶导电炭黑∶PTFE按照85∶10∶5的质量比例混合均匀后压制在泡沫镍上制成单电极。经电化学检测，氧化石墨烯/SiO2复合材料5的储电比容量约为318F/g。实施例6：(1)氧化石墨烯分散液的制备：以异丙醇∶水(约55.556mol)体积比1∶1为混合溶剂配制含0.1g氧化石墨烯(碳∶氧摩尔比约等于12)的悬浮液2L，经超声振荡(20W)1小时，形成氧化石墨烯的分散液。(2)氧化石墨烯/SiO2的制备：向第一步所得的氧化石墨烯分散液中加入526.25gNa2SiO3·9H2O(约1.853mol)制成反应混合物，用盐酸调节pH值为1～3，使混合物为强酸性，在5℃磁力搅拌反应12小时。(3)产物后处理：用减压蒸馏方式脱除溶剂，压力-0.1MPa，温度为80℃。将收集的产物反复洗涤，以清洗掉各种未反应完的原料、杂质或副产物，置于100℃真空干燥箱8h。本实施例6获得的复合材料中硅前躯体的转化率近似等于90％，氧化石墨烯的质量大约为：0.1g，SiO2的质量大约为99.9g，氧化石墨烯的质量分数约为：0.1％。(4)将氧化石墨烯/SiO2复合材料5∶导电炭黑∶PTFE按照85∶10∶5的质量比例混合均匀后压制在泡沫镍上制成单电极。经电化学检测，氧化石墨烯/SiO2复合材料5的储电比容量约为32F/g。实施例7：(1)氧化石墨烯分散液的制备：以甲乙酮∶水(约37.037mol)体积比2∶1为混合溶剂配制含0.22g氧化石墨烯(碳∶氧摩尔比约等于12)的悬浮液2L，经超声振荡(50W)1小时，形成氧化石墨烯的分散液。(2)氧化石墨烯/SiO2的制备：向第一步所得的氧化石墨烯分散液中加入20.7gNa2SiO3·9H2O(约0.073mol)制成反应混合物，用硫酸调节pH值为1～3，使混合物为强酸性，在80℃磁力搅拌反应1小时。(3)产物后处理：用减压蒸馏方式脱除溶剂，压力-0.1MPa，温度为70℃。将收集的产物反复洗涤，以清洗掉各种未反应完的原料、杂质或副产物，置于100℃真空干燥箱8h。本实施例7获得的复合材料中硅前躯体的转化率近似等于96％，氧化石墨烯的质量大约为：0.22g，SiO2的质量大约为4.20g，氧化石墨烯的质量分数约为：5％。(4)将氧化石墨烯/SiO2复合材料5∶导电炭黑∶PTFE按照85∶10∶5的质量比例混合均匀后压制在泡沫镍上制成单电极。经电化学检测，氧化石墨烯/SiO2复合材料5的储电比容量约为62F/g。实施例8：(1)氧化石墨烯分散液的制备：以乙醇∶水(约55.556mol)体积比1∶1为混合溶剂配制含2.0g氧化石墨烯(碳∶氧摩尔比约等于8)的悬浮液2L，经超声振荡(100W)1小时，形成氧化石墨烯的分散液。(2)氧化石墨烯/SiO2的制备：向第一步所得的氧化石墨烯分散液中加入20gNa2SiO3·9H2O(约0.070mol)制成反应混合物，用硫酸调节pH值为1～3，使混合物为强酸性，在90℃磁力搅拌反应30分钟。(3)产物后处理：用减压蒸馏方式脱除溶剂，压力-0.1MPa，温度为50～60℃。将收集的产物反复洗涤，以清洗掉各种未反应完的原料、杂质或副产物，置于100℃真空干燥箱8h。本实施例8获得的复合材料中硅前躯体的转化率近似等于90％，氧化石墨烯的质量大约为：2.0g，SiO2的质量大约为3.798g，氧化石墨烯的质量分数约为：34％。(4)将氧化石墨烯/SiO2复合材料5∶导电炭黑∶PTFE按照85∶10∶5的质量比例混合均匀后压制在泡沫镍上制成单电极。经电化学检测，氧化石墨烯/SiO2复合材料5的储电比容量约为97F/g。实施例9：(1)氧化石墨烯分散液的制备：以N-甲基-2-吡咯烷酮∶水(约37.037mol)体积比5∶1为混合溶剂配制含2.0g氧化石墨烯(碳∶氧摩尔比约等于8)的悬浮液4L，经超声振荡(250W)1小时，形成氧化石墨烯的分散液。(2)氧化石墨烯/SiO2的制备：向第一步所得的氧化石墨烯分散液中加入3.6gK2SiO3(约0.023mol)制成反应混合物，用磷酸调节pH值为3～4，使混合物为中强酸性，在60℃磁力搅拌反应4小时。(3)产物后处理：用减压蒸馏方式脱除溶剂，压力-0.1MPa，温度为80℃。将收集的产物反复洗涤，以清洗掉各种未反应完的原料、杂质或副产物，置于100℃真空干燥箱8h。本实施例9获得的复合材料中硅前躯体的转化率近似等于95％，氧化石墨烯的质量大约为：2.0g，SiO2的质量大约为1.33g，氧化石墨烯的质量分数约为：60％。(4)将氧化石墨烯/SiO2复合材料5∶导电炭黑∶PTFE按照85∶10∶5的质量比例混合均匀后压制在泡沫镍上制成单电极。经电化学检测，氧化石墨烯/SiO2复合材料5的储电比容量约为182F/g。实施例10：(1)氧化石墨烯分散液的制备：以水(约1111.111mol)为溶剂配制含9.99g氧化石墨烯(碳∶氧摩尔比约等于12)的悬浮液20L，经超声振荡(600W)1小时，形成氧化石墨烯的分散液。(2)氧化石墨烯/SiO2的制备：向第一步所得的氧化石墨烯分散液中加入0.0367gK2SiO3(约2.378×10-4mol)制成反应混合物，用硫酸调节pH值为1～3，使混合物为强酸性，在90℃磁力搅拌反应30分钟。(3)产物后处理：用减压蒸馏方式脱除溶剂，压力-0.1MPa，温度为80～90℃。将收集的产物反复洗涤，以清洗掉各种未反应完的原料、杂质或副产物，置于100℃真空干燥箱8h。本实施例10获得的复合材料中硅前躯体的转化率近似等于70％，氧化石墨烯的质量大约为：9.99g，SiO2的质量大约为0.01g，氧化石墨烯的质量分数约为：99.9％。(4)将氧化石墨烯/SiO2复合材料5∶导电炭黑∶PTFE按照85∶10∶5的质量比例混合均匀后压制在泡沫镍上制成单电极。经电化学检测，氧化石墨烯/SiO2复合材料5的储电比容量约为339F/g。实施例1～10所得到的氧化石墨烯/SiO2复合材料1～5的微观形貌示意图如图1所示，同等反应条件下不添加氧化石墨烯时制备的SiO2样品的微观形貌示意图如图2所示。