[发明专利]V2O5量子点/石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及V₂O₅量子点/石墨烯复合材料及其制备方法，该材料可作为锂离子电池正极活性材料。

背景技术

随着能源需求的增加，能源储存器件在提高能量利用效率方面起到了越来越重要的作用。最近，作为能源储存器件的重要组成形式，锂离子电池由于其较高的能量密度，被广泛应用于混合动力汽车以及便携设备中。研究具有更长循环寿命、更高的可逆容量、更低生产成本的锂离子电池电极材料，是目前研究的前沿与热点之一。V₂O₅具有特殊的层状结构，其理论容量高达440mAh/g，被认为是最具潜力的高容量锂离子电池正极材料，但其较差的循环性能，较低的电子电导率与离子电导率，严重制约在锂离子电池中的应用。

近年来，为提高锂离子的扩散效率，具有纳米结构的V₂O₅材料受到了广泛关注，V₂O₅量子点由于其直径小，表面原子比例高，进而表现出优异的电化学性能。石墨烯由于独特的2D单层碳原子结构，具有高比表面积（2600m²/g）、高电子电导率、良好的机械韧性等特性，广泛应用于对电极材料的电化学改性中。但V₂O₅量子点/石墨烯复合材料还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种V₂O₅量子点/石墨烯复合材料及其制备方法，其制备过程简单，能耗较低，所得的V₂O₅量子点/石墨烯复合材料具有良好的电化学性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：V₂O₅量子点/石墨烯复合材料，其V₂O₅量子点的直径为2-3nm，均匀分布在石墨烯片上，采用下述方法制得，包括有以下步骤：

1）取1.1～1.5mmol的V₂O₅溶胶并稀释于去离子水中得到40ml V₂O₅溶液，按与V₂O₅物质的量比为0.03:1量取苯胺溶液滴入V₂O₅溶液中，搅拌；

2）向步骤1）所得溶液中按比例加入石墨烯分散液，并加入去离子水至溶液总体积为60ml，在室温下搅拌；

3）将步骤2）所得的均一溶液转移至恒温水浴锅中，进行恒温水浴加热处理；

4）将步骤3）处理后的溶液转入100ml反应釜中，进行水热反应，然后从反应釜中取出，自然冷却到室温；

5）用无水乙醇反复洗涤步骤4）所得产物，烘干即得到V₂O₅量子点/石墨烯复合材料。

按上述方案，步骤2）所述的石墨烯分散液的制备方法包括有以下步骤：

a）向250ml锥形瓶中加入1g石墨粉与23ml浓硫酸，在室温下混合搅拌24小时；

b）将锥形瓶放入恒温水浴锅中，反应温度40℃，向步骤a）所得分散液中加入100mgNaNO₃，搅拌5分钟，随后缓慢加入500mg KMnO₄，并保持溶液温度在45℃以下，搅拌30分钟；

c）向步骤b）所得分散液中，加入3ml去离子水，搅拌5分钟后，再加入3ml去离子水，随后搅拌5分钟，再加入40ml去离子水，搅拌15分钟；

d）将锥形瓶移出水浴锅，加入140ml去离子水及10ml质量百分比浓度30%H₂O₂以终止氧化反应；

e）将步骤d）所得悬浮液使用质量百分比浓度5%HCl溶液洗涤两次，随后用去离子水洗涤至中性，分散在100ml去离子水中，超声60分钟；

f）将步骤e）所得悬浮液5000转/分离心，时间为5分钟，反复取上层清液，直至分离出均匀的石墨烯分散液，浓度为1mg/ml。

按上述方案，步骤3）所述的恒温水浴温度为70-90℃，反应时间为22-26小时。

按上述方案，步骤2）所述的石墨烯的量为10-16mg。

按上述方案，步骤4）所述的水热反应温度为160-200℃，时间为36-60小时。