[发明专利]石墨烯/四氧化三锰纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米材料制备领域，具体涉及一种石墨烯/四氧化三锰纳米复合材料的制备方法。

背景技术

纳米材料又称纳米结构材料，是指三维空间尺寸至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料的尺寸处在原子和宏观材料的过渡区域，这样的体系既非典型的宏观体系亦非典型的微观体系，而是一种介观体系，因此具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特殊效应，同时也赋予了它既有别于单个分子又不同于体相材料的特殊物理化学性质。由于不同的纳米材料具有不同的物理化学性质，在实际应用中，有时需要将两种或者多种纳米材料结合在一起，制备成复合材料，使不同材料能够取长补短，发挥协同效应，从而使纳米材料产生更好的性能。

石墨烯是近年来发现的一种二维的单层碳原子结构材料，它独特的单原子层结构使其具有许多优异的物理化学性质，如高的力学性能、热导率、电荷迁移率，大的比表面积以及独特的量子霍尔效应等，因此被广泛应用于场效应晶体管、液晶设备以及能量存储等多个领域。然而，由于石墨烯片层之间存在范德华力相互作用，石墨烯片层极易出现团聚，这不仅大大减小了石墨烯的比表面积，而且直接影响到其优异的物理化学性能。目前为止，解决石墨烯团聚问题最有效的手段是将无机纳米粒子分散到石墨烯纳米片层表面制成石墨烯/无机纳米复合材料。无机纳米粒子的存在可使石墨烯片层间距增加到几个纳米甚至数百纳米，从而大大减小石墨烯片层之间的相互作用，使单层石墨烯的独特性质得以保留。此外，所制备的石墨烯/无机纳米复合材料不但可以同时保持石墨烯和无机纳米粒子的固有特性，而且能够产生新颖的协同效应，具有广泛的应用价值。目前石墨烯/无机纳米复合材料以石墨烯复合各种无机纳米氧化物为主，如石墨烯/锌氧化物、石墨烯/锰氧化物、石墨烯/铋氧化物、石墨烯/钛氧化物等。其中，因锰元素储量丰富、价格低廉、清洁无毒性等多种优点，石墨烯/锰氧化物纳米复合材料的研究在新能源材料领域备受关注。四氧化三锰是化学性质最稳定的锰氧化物，将其添加在电极材料中可以有效地提高电池的充放电稳定性，延长电池的使用寿命，因此近年来逐渐被用作锂离子电池和超级电容器的电极材料。

将石墨烯与四氧化三锰纳米材料进行复合，不仅结合了碳材料稳定性好、质量轻和锰氧化物比能量高的优点，而且可以防止石墨烯的团聚，增大复合材料的比表面积。同时，石墨烯作为四氧化三锰纳米颗粒的支撑材料，能够起到电子传递通道的作用，从而有效地提高了四氧化三锰纳米材料的导电性能。此外，由于四氧化三锰纳米颗粒均匀地负载在石墨烯片层上，使得该复合材料具有开放的孔状结构，有利于电解质离子的迁移，这对提高器件的性能也有很大的帮助。然而，关于石墨烯/四氧化三锰纳米复合材料的制备的报道较少，且合成工艺一般比较复杂。因此，发展一种简易的石墨烯/四氧化三锰纳米复合材料的制备方法对于新能源材料的开发显得较为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单，成本低廉、产物性能稳定且能工业化生产的石墨烯/四氧化三锰纳米复合材料的制备方法。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种石墨烯/四氧化三锰纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：用去离子水稀释氧化石墨浓缩液至0.1～5mg/mL，搅拌均匀，室温水浴超声后，将烧杯置于冰水浴中，并在探针超声波处理器下超声，所得产物即为氧化石墨烯溶液；

步骤二：氧化石墨烯溶液中加入高锰酸盐，搅拌至高锰酸盐完全溶解，加入还原剂，搅拌均匀；

步骤三：将步骤二得到的溶液于80～120℃下反应，反应结束后冷却，离心洗涤、真空干燥，可得到石墨烯/四氧化三锰纳米复合材料。

进一步的技术方案是：水浴超声的时间为10～50min；探针超声波处理器下超声的时间为30～120min。

进一步的技术方案是：所述的高锰酸盐为高锰酸锂、高锰酸钠、高锰酸钾、高锰酸铵、高锰酸钙、高锰酸钡、高锰酸镁、高锰酸汞、高锰酸镉、高锰酸铷中的一种或几种，优选高锰酸钾。

进一步的技术方案是：所述的还原剂为水合肼、乙二胺、抗坏血酸、柠檬酸钠、L-半胱氨酸、氨水、氢碘酸、硼氢化钠中的一种或几种，优选水合肼。

进一步的技术方案是：所述的探针超声波处理器的超声功率为50～500W。

进一步的技术方案是：所述的氧化石墨烯溶液的体积与高锰酸盐的物质的量比为40mL：（1～4mmol）。

进一步的技术方案是：所述的氧化石墨烯溶液与还原剂的体积比为40：（0.1～1）。