[发明专利]一种石墨烯包覆介孔碳基金属氧化物及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及纳米复合材料和电池电极材料领域，具体地说，是涉及一种石墨烯包覆介孔碳基金属氧化物及其制备方法和用途。

背景技术

锂离子电池由于具有高储存能量密度、容量大、无记忆效应、额定电压高、自放电率低、重量轻、使用寿命长、高低温适应性强、绿色环保等优点，被广泛应用到人们的日常生活中，尤其许多数码设备都采用锂离子电池做电源。一些金属氧化物由于具有较高的理论容量，可作为锂离子电池材料，例如Co₃O₄，NiO，Fe₃O₄，ZnO等理论比容量为700-1000mAh/g。但金属氧化物本身导电性差，充放电速率低。同时在充放电过程中会有较大的体积形变，导致电池材料的破裂，因此循环性能差，影响了其作为锂离子电池电极材料的应用。介孔碳基金属氧化物由于具有较大的比表面积和规则的孔道结构，因此具有较高的充放电容量。另一方面，孔道可以提供金属氧化物体积形变所需空间，同时碳组分可以提高电极的导电性，因此具有较好的循环性能和倍率性能(H.J.Zhang，H.H Tao，Y.Jiang，Z.Jiao，M.H.Wu，B.Zhao，J.Power Sources，2010，195，2950-2955)。但在充放电过程中介孔结构容易被破坏，同时金属氧化物颗粒容易团聚，影响了介孔碳基金属氧化物电化学性能的进一步提升。石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，具有较大的比表面积，较高的机械强度和良好的导热导电性能。因此，相比纳米金属氧化物颗粒，石墨烯基金属氧化物具有更优秀的电化学性能(S.B.Yang，X.L.Feng，S.Ivanovici and K.Müllen，Angew.Chem.Int.Ed.，2010，49，8408-8411)。一方面石墨烯可以保持金属氧化物结构的稳定性，另一方面石墨烯可以提高金属氧化物电极材料的导电性能，从而提高金属氧化物电极的电化学性能。因此，通过石墨烯包覆，可以避免介孔碳基金属氧化物孔道结构的破坏，并且抑制金属氧化物在充放电过程中的团聚，进一步提高介孔碳基金属氧化物的电化学性能。然而，目前还未见石墨烯包覆介孔碳基金属氧化物的报道。石墨烯包覆介孔碳基金属氧化物有望成为一种新型的高性能锂离子电池或超级电容器的电极材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯包覆的介孔碳基金属氧化物及其制备方法，为现有锂离子电池和超级电容器的电极材料添加一类新产品。

本发明所公开的石墨烯包覆介孔碳基金属氧化物，其特征在于：制备的石墨烯尺寸在1μm×1μm～5μm×5μm范围内，被包覆的介孔碳基金属氧化物的比表面积为100～500m²/g，孔径为2～8nm，孔容为0.1～0.8cm³/g。

上述石墨烯包覆介孔碳基金属氧化物的制备方法，包括如下步骤：

1)制备不同孔道结构的介孔二氧化硅

在30～40℃下，将表面活性剂(如P123，F127)加入到含有HCl的水溶液中，混合均匀后，滴加正硅酸乙酯(TEOS)，反应24小时；转移到水热釜中，在100℃烘箱中反应48～72小时；冷却、抽滤、洗涤、干燥，得到介孔二氧化硅。

2)向二氧化硅模板孔道内填充碳基金属氧化物

将二氧化硅模板加入到含有蔗糖、浓硫酸、金属无机盐(如硝酸盐、醋酸盐)的水溶液中，混合均匀后，在100℃干燥6小时，再在160℃干燥6小时；将上述过程重复一次后，将产物在惰性气体保护下，700～900℃加热2～5小时，得到孔道内填充碳基金属氧化物的二氧化硅。

3)二氧化硅模板表面氨基化

将孔道内含有碳基金属氧化物的二氧化硅加入到含有硅烷偶联剂的40mL正己烷中，70℃回流12～24小时；冷却、离心、洗涤、干燥。

4)制备氧化石墨烯

将浓硫酸和硝酸钠混合后，冰浴冷却；在0℃下，加入石墨；混合4～5小时后，慢慢加入高锰酸钾；35℃反应2小时，加入去离子水稀释，98℃搅拌15分钟，加入去离子水稀释，并加入双氧水；过滤，用1∶10的稀盐酸洗涤，再用去离子水洗涤至中性，即得氧化石墨；将氧化石墨在水中超声，得到氧化石墨烯溶液。

5)制备石墨烯包覆介孔碳基金属氧化物