石墨烯和石墨烯氧化物复合物的制备方法

文档序号:10625584阅读:1074来源:国知局
石墨烯和石墨烯氧化物复合物的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种石墨烯和石墨烯氧化物复合物的制备方法,包括以下步骤:A.将儿茶酚或儿茶酚衍生物溶解于溶剂中得到质量浓度为0.1g/ml的儿茶酚或其衍生物溶液;B.将氧化石墨烯研磨成粉体,称取一定量氧化石墨烯粉加入到儿茶酚或其衍生物的溶液中,磁力搅拌分散均匀;C.将步骤B中制得的溶液超声分散1h,将分散液转入高压反应釜中;D.将高压反应釜置于150℃水浴下水热反应14h;E.将样品过滤,水洗,真空干燥,得到石墨烯。本发明反应温和,耗能较低,产量较高,避免了使用毒性大的有机溶剂。
【专利说明】
石墨烯和石墨烯氧化物复合物的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种石墨稀复合材料,具体说是一种石墨稀复合材料及其制备太阳能电池正极的方法和应用。【背景技术】
[0002]石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,是只有一个碳原子厚度的二维材料。
[0003]石墨烯在常温下其电子迀移率超过15000cm2/V ? s,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-8 Q ?!!!,比铜或银更低,因其电阻率极低,电子迀移的速度极快,并且由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
[0004]石墨烯具有良好的化学稳定性、优异的导电性和机械柔性,用于对电极材料改性, 可制备高导电复合材料,提高电化学性能,特别是倍率性能。石墨烯薄片可缓冲金属或金属氧化物负极材料在充放电过程中的体积效应,提高电子导电性,以石墨烯/金属(金属氧化物)复合材料作为电池正极,倍率性能和循环性能可得到改善。[〇〇〇5]目前将石墨烯加入电池正极材料对其改性的方法,工艺复杂,周期长,同时对于能耗、成本等问题没有很好地解决。优化复合材料的前驱物制备方法,减少工艺步骤,是制备石墨烯基复合材料的发展方向。控制复合物粒子尺寸大小和尺寸分布,使石墨烯片在活性材料上分散均匀,在石墨烯改善材料电化学性能的基础上,降低石墨烯在复合物中的含量也是有待解决的问题。
【发明内容】

[0006]针对上述情况,本发明提供一种石墨烯复合材料及其制备太阳能电池正极的方法和应用,以六方层状结构的正极活性材料为骨架,以三维连续石墨烯片层为包覆层,以及缠绕在石墨烯片层上的纳米衍生层,纳米衍生层也包覆有石墨烯材料,这种新型的结构使纳米衍生层与石墨烯产生功能耦合,促进了电子在二次粒子中的传导,纳米衍生层与石墨烯片层之间丰富的间隙,有利于正电子的迀移,且灵活的三维立体结构保持了电极材料结构的稳定性,抑制了颗粒团聚及体积的膨胀,从而提高电化学性能。本发明采用三维连续石墨烯片层包覆正极活性材料,三维立体结构的石墨烯片层使包覆更连续且稳定不易脱落,使正极与液态电解质形成了“面对点”的导电模式,能更好地形成导电网络。
[0007]为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
[0008]石墨烯复合材料太阳能电池正极,其特征在于,包括正极活性材料层,石墨烯包覆层、纳米衍生层,所述正极活性材料层外表面包覆有三维立体结构的石墨烯包覆层,石墨烯包覆层上采用溶剂热法复合上纳米衍生层。
[0009]所述三维立体结构的石墨烯包覆层是通过以泡沫铜为金属模板骨架,利用化学气相沉积法使石墨烯生长在泡沫铜骨架之上,并通过湿法腐蚀转移到正极活性材料外表面上。
[0010]所述石墨烯三维网络结构孔径为80-500 ym。[〇〇11]所述纳米衍生层为V205微球以及附着在V205微球外的石墨烯复合层,其粒径在20?40nm之间。
[0012]石墨烯复合材料太阳能电池正极的制备方法,包括以下步骤:
[0013] A将泡沫铜为金属模板骨架装入化学气相沉积反应炉中,通入氢气和氩气,2小时后开始加热至900度,恒温25分钟后通入SOsccm甲烷,反应时间26分钟,反应结束后停止通甲烷,关闭电炉,自然冷却到室温。将泡沫铜为金属模板骨架在4wt%聚乙烯醇的水溶液中,取出后在100°C烘干3小时,使其表面沉积一层聚乙烯醇,放入100ml 1M盐酸和1M FeC13溶液中搅拌4小时,去除金属模板骨架,获得三维石墨烯/聚乙烯醇骨架复合结构。
[0014]B将异丙醇钒和氨水加到氧化石墨烯的悬浮液中,超声波处理30min,置于反应釜中,180度反应12h,冷却,沉淀洗涤干燥,空气环境下350下热解处理30min,得到V205微球,利用先沉积金属薄膜后退火的方法使V205微球附着在三维石墨烯/聚乙烯醇骨架复合结构上。
[0015]步骤B中的纳米衍生层为V205,首先由水热法制备V205nH20干凝胶,再与石墨烯悬浮液混合,过滤得到V205nH20/石墨烯的复合物。
[0016]所述正极活性材料层为六方层状结构材料或者尖晶石结构材料或者聚阴离子型材料制成,其中六方层状结构材料如LiCo02、LiNi02、LiNixCol-x02和三元材料,其中尖晶石结构材料如LiMn204。
[0017]本发明的优点是:以六方层状结构的正极活性材料为骨架,以三维连续石墨烯片层为包覆层,以及缠绕在石墨烯片层上的纳米衍生层,纳米衍生层也包覆有石墨烯材料,这种新型的结构使纳米衍生层与石墨烯产生功能耦合,促进了电子在二次粒子中的传导,纳米衍生层与石墨烯片层之间丰富的间隙,有利于正电子的迀移,且灵活的三维立体结构保持了电极材料结构的稳定性,抑制了颗粒团聚及体积的膨胀,从而提高电化学性能。本发明采用三维连续石墨烯片层包覆正极活性材料,三维立体结构的石墨烯片层使包覆更连续且稳定不易脱落,使正极与液态电解质形成了“面对点”的导电模式,能更好地形成导电网络。【附图说明】
[0018]图1为本发明的结构示意图。
[0019]在图中:1_正极活性材料层,2-石墨烯包覆层,3-纳米衍生层。【具体实施方式】
[0020]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体图示,进一步阐述本发明。
[0021]参见图1,石墨烯复合材料太阳能电池正极,其特征在于,包括正极活性材料层,石墨烯包覆层、纳米衍生层,所述正极活性材料层外表面包覆有三维立体结构的石墨烯包覆层,石墨烯包覆层上采用溶剂热法复合上纳米衍生层。
[0022]所述三维立体结构的石墨烯包覆层是通过以泡沫铜为金属模板骨架,利用化学气相沉积法使石墨烯生长在泡沫铜骨架之上,并通过湿法腐蚀转移到正极活性材料外表面上。
[0023]所述石墨烯三维网络结构孔径为80-500 y m。
[0024]所述纳米衍生层为V205微球以及附着在V205微球外的石墨烯复合层,其粒径在 20?40nm之间。
[0025]石墨烯复合材料太阳能电池正极的制备方法,包括以下步骤:
[0026]A将泡沫铜为金属模板骨架装入化学气相沉积反应炉中,通入氢气和氩气,2小时后开始加热至900度,恒温25分钟后通入SOsccm甲烷,反应时间26分钟,反应结束后停止通甲烷,关闭电炉,自然冷却到室温。将泡沫铜为金属模板骨架在4wt%聚乙烯醇的水溶液中,取出后在100°C烘干3小时,使其表面沉积一层聚乙烯醇,放入100ml 1M盐酸和1M FeC13溶液中搅拌4小时,去除金属模板骨架,获得三维石墨烯/聚乙烯醇骨架复合结构。
[0027]B将异丙醇钒和氨水加到氧化石墨烯的悬浮液中,超声波处理30min,置于反应釜中,180度反应12h,冷却,沉淀洗涤干燥,空气环境下350下热解处理30min,得到V205微球,利用先沉积金属薄膜后退火的方法使V205微球附着在三维石墨烯/聚乙烯醇骨架复合结构上。
[0028]步骤B中的纳米衍生层为V205,首先由水热法制备V205nH20干凝胶,再与石墨烯悬浮液混合,过滤得到V205nH20/石墨烯的复合物。
[0029]所述正极活性材料层为六方层状结构材料或者尖晶石结构材料或者聚阴离子型材料制成,其中六方层状结构材料如LiCo02、LiNi02、LiNixCol-x02和三元材料,其中尖晶石结构材料如LiMn204。
[0030]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
【主权项】
1.石墨烯复合材料太阳能电池正极,其特征在于,包括正极活性材料层,石墨烯包覆 层、纳米衍生层,所述正极活性材料层外表面包覆有三维立体结构的石墨烯包覆层,石墨烯 包覆层上采用溶剂热法复合上纳米衍生层。2.根据权利要求1所述的石墨烯复合材料太阳能电池正极,其特征在于,所述三维立 体结构的石墨烯包覆层是通过以泡沫铜为金属模板骨架,利用化学气相沉积法使石墨烯生 长在泡沫铜骨架之上,并通过湿法腐蚀转移到正极活性材料外表面上。3.根据权利要求1所述的石墨烯复合材料太阳能电池正极,其特征在于,所述石墨烯 三维网络结构孔径为80-500 y m。4.根据权利要求1所述的石墨烯复合材料太阳能电池正极,其特征在于,所述纳米衍 生层为V205微球以及附着在V205微球外的石墨稀复合层,其粒径在20?40nm之间。5.石墨烯复合材料太阳能电池正极的制备方法,包括以下步骤:A将泡沫铜为金属模板骨架装入化学气相沉积反应炉中,通入氢气和氩气,2小时后开 始加热至900度,恒温25分钟后通入8〇SCCm甲烷,反应时间26分钟,反应结束后停止通甲 烷,关闭电炉,自然冷却到室温。将泡沫铜为金属模板骨架在4wt %聚乙烯醇的水溶液中,取 出后在100°C烘干3小时,使其表面沉积一层聚乙烯醇,放入100ml 1M盐酸和1M FeC13溶 液中搅拌4小时,去除金属模板骨架,获得三维石墨烯/聚乙烯醇骨架复合结构。B将异丙醇钒和氨水加到氧化石墨烯的悬浮液中,超声波处理30min,置于反应釜中, 180度反应12h,冷却,沉淀洗涤干燥,空气环境下350下热解处理30min,得到V205微球,利 用先沉积金属薄膜后退火的方法使V205微球附着在三维石墨烯/聚乙烯醇骨架复合结构 上。步骤B中的纳米衍生层为V205,首先由水热法制备V205nH20干凝胶,再与石墨烯悬浮 液混合,过滤得到V205nH20/石墨烯的复合物。6.根据权利要求5所述的石墨烯复合材料太阳能电池正极的制备方法,其特征在于, 步骤B中的纳米衍生层为V205,首先由水热法制备V205nH20干凝胶,再与石墨烯悬浮液混 合,过滤得到V205nH20/石墨稀的复合物。7.—种根据权利要求1所述的石墨烯复合材料太阳能电池正极的应用,其特征在于, 将其用于制备电池的电极。
【文档编号】H01G9/20GK105990028SQ201510060670
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月5日
【发明人】赵晓宇
【申请人】宇瑞(上海)化学有限公司
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