[发明专利]一种石墨烯/二氧化锰纳米复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电极材料。

背景技术

石墨烯由于其独特的电学性质，使得其与半导体材料的复合成为一个热点研究课题。石墨烯是完全离散的单层碳材料，其整个表面可形成双电层，但是在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间互相杂乱叠加，会使得形成有效双电层的面积减少。因此，通过将半导体纳米材料与石墨烯复合，使其作为石墨烯的隔离物，将大大减小石墨烯片层之间的相互作用，同时石墨烯作为半导体纳米粒子的支撑材料，能够起到电子传递通道的作用，从而有效地提高半导体材料的电学性能。目前，制备石墨烯基纳米复合材料的方法有以下几种：（1）氧化石墨烯还原法：将纳米粒子附着在氧化石墨烯片上，采用化学还原剂或是利用光的催化作用将氧化石墨烯还原成石墨烯，从而得到石墨烯基纳米复合材料。该方法成本低、产率高，但还原氧化石墨烯时石墨烯本征结构的恢复不理想，影响复合材料的导电性。（2）电沉积方法：将石墨烯涂敷在导电集流体上作为电极，采用脉冲电流将金属氧化物纳米颗粒沉积在石墨烯表面。该法的优点是工艺参数易于控制,缺点是高介电绝缘性金属氧化物很难在未表面改性的石墨烯上沉积，只能在石墨烯边缘和缺陷处沉积。（3）微波法：利用微波能量集中的特点，使纳米粒子迅速沉积在石墨烯表面。采用微波法的特点是时间短，工艺简单，但反应速度过快，操作过程不易控制，复合材料容易团聚长大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种易在石墨烯上沉积、反应速度易控制、晶粒尺寸较小、分布较均匀且导电性能好的石墨烯/二氧化锰纳米复合材料及制备方法

本发明的石墨烯/二氧化锰纳米复合材料是一种平均厚度为1nm，片层宽度约为3μm，二氧化锰在石墨烯片的两面均能成核生长，且为多孔网状结构的复合材料。

上述复合材料的制备方法如下：

一、石墨烯材料的制备

1、石墨烯氧化物的制备：

以石墨纸为阳极，碳棒为阴极，浓硫酸（浓度98%）为电解液，在恒电流0.2A下将石墨纸进行氧化剥离。剥离20～30h后，用蒸馏水将电解液稀释10倍，待溶液冷却到室温后采用12000转/min的高速离心机分离并过滤。用蒸馏水充分洗涤过滤后的粉体至中性，在10～100Pa真空下50～60oC烘干，即得到石墨烯氧化物粉体。

2、石墨烯材料的制备：

将石墨烯氧化物粉体按1：1的重量比加入到蒸馏水中，用氨水调节其pH为9～10。在功率为150W下超声1～3h，以获得稳定的氧化石墨烯悬浮液。在悬浮液中滴加水合肼，其加入量按每毫克石墨烯氧化物粉体加入0.01～0.02毫升。用75～85oC恒温水浴加热6～12h，将反应物洗涤至中性，在10～100Pa真空下50～60oC烘干，即得到薄层石墨烯材料。

二、石墨烯/二氧化锰纳米复合材料的制备：

按高锰酸钾：薄层石墨烯=0.1～1.0：0.12～0.225（重量比），将的高锰酸钾加入到石墨烯悬浮液中，该石墨烯悬浮液是用蒸馏水按0.8～1.5mg/mL的浓度将上述薄层石墨烯材料稀释而成（反应过程中石墨烯是过量的），超声分散30min后，将混合液装入烧瓶。采用回流冷凝方法在温度为95oC～105oC下加热4h～20h，将悬浊液在4000转/min下离心分离，并将沉淀物用蒸馏水洗涤，直至滤液中检测不到K离子的存在。最后将沉淀物在10～100Pa真空下50～60oC烘干，即得到二氧化锰含量为16～82%的石墨烯/二氧化锰纳米复合材料。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、采用本发明获得的石墨烯/二氧化锰纳米复合材料呈多孔网络状，且晶粒尺寸较小，分布较均匀， 二氧化锰的含量为16～82%。

2、表面的多孔网状结构使得质子的扩散系数更大，更容易进入活性物质内部，从而使该复合材料具有良好的电化学性能，导电性能优良，适合作为超级电容器的电极材料使用。

3、工艺简单,反应速度易于操控。

附图说明

图1是本发明获得的石墨烯/二氧化锰纳米复合材料的表面扫描电镜图；

图2是本发明获得的石墨烯/二氧化锰纳米复合材料的透射电镜图。

具体实施方式

实施例1