[发明专利]一种电化学复合石墨烯与金属氧化物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学复合石墨烯与金属氧化物的方法。 

背景技术

用电化学剥离法复合石墨烯与金属氧化物是一种全新的复合石墨烯与金属氧化物的方法。石墨烯与金属氧化物的复合物是近几年研究的热点。 

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，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的太阳光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm/V·s，比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10^-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。并且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。 

石墨烯与金属氧化物的复合物是近几年研究的热点。石墨烯与金属氧化物的复合物在锂离子电池，光催化方面有着广泛的应用。 

在锂离子电池方面：由于石墨烯具有超大比表面积、高导电性、优异的机械强度和化学稳定性，是很好的锂离子电池活性物质载体材料。金属氧化物Fe₂O₃、ZnO、SnO₂，由于他们具有大比容量，已被广泛研究用于锂离子电池负极材料。金属氧化物作为大比容量的活性材料在充放电过程中通常会出现严重的体积形变，产生大的形变应力，从而导致电极材料的破碎，最终造成电池容量的不断衰减。以电化学剥离石墨烯纳米片(GNS)为载体，负载金属氧化物（Fe₂O₃、ZnO、SnO₂）纳米颗粒；通过金属氧化物纳米颗粒与GNS的复合，有效控制了充放电过程中的体积形变，显著提高了电池负极材料的循环性能。 

在光催化方面的应用:近年来，光催化氧化技术迅速发展起来，为解决日益严重的水污染问题提供了一条新途径。光催化反应大多采用纳米半导体金属氧化物作为催化剂，如TiO₂、Fe₂O₃、ZnO、SnO₂。金属氧化物是目前研究的最为广泛和深入的半导体光催化剂，但是金属氧化物通常具有较宽的禁带宽度，主要吸收太阳光谱中的紫外光，这对于利用只有4%的紫外光含量的太阳光极为不利；另外光激发金属氧化物所产生的光生电子-空穴复合率高，导致光量子效率低，光催化性能不突出，这也是半导体类光催化剂在实际应用中受到限制的主 要原因。通过将石墨烯与金属氧化物复合，材料将具有更大的比表面积，对有机污染物的吸附能力会有较大提高；同时金属氧化物-Graphene界面会形成异质结，能够改善光生电子与空穴间的复合；相比于纯的金属氧化物，复合材料的费米能级可能向更正的方向偏移，进而提高了对更长波长光子的利用率，石墨烯与金属氧化物复合后，可以极大地提高光催化活性。 

本发明提供了一种新的制备石墨烯与金属氧化物的复合物方法；相较于其它复合石墨烯与金属氧化物的方法，本发明制备过程极其简单，所用设备与原料均可简单获取，可应用于大规模的工业生产制备。分别用石墨作为阳极，铂片作为阴极，在电解质溶液中通过在阳极和阴极之间加电压使得金属氧化物附着在石墨表层，然后形成石墨烯与金属氧化物的复合物。 

发明内容

本发明的目的是提供一种新的制备石墨烯与金属氧化物的复合物方法。 

它的步骤为： 

1）用天然鳞片石墨或膨胀石墨作为阳极，铂片作为阴极，并加入电解质溶液； 

2）室温下在阳极和阴极之间加电压，0V保持0～60s，-10～5V保持1～60s，5-10V保持1～60s，电压按上述变化循环操作1～60min； 

3）得到产物离心分离、洗涤、真空干燥，便可得到石墨烯与金属氧化物的复合物。 

所说的金属氧化物为氧化铁、氧化锌、氧化铜、氧化银、氧化镉、氧化钛中的一种或几种。 

所说的电解质为相应金属的硫酸盐化合物和硫酸。 

所说的电解质中金属的硫酸盐化合物浓度为0.1～2mol/L。 

所说的电解质中硫酸浓度为0.1～20mol/L。 

本发明制备的石墨烯与金属氧化物的复合材料电子传输性能优异，可作为锂离子电池负极材料和光催化降解有机污染物材料，性能优异，操作简单，适合大规模的工业生产。