[发明专利]过渡金属氧化物与石墨烯的复合纳米线及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，尤其涉及过渡金属氧化物与石墨烯的复合纳米线，以及它们的制备方法和用途。

背景技术

近年来，过渡金属氧化物及其复合物由于其在锂离子电池、超级电容器、催化、气敏传感等各方面的优异性能受到了广泛的关注(Sen，U.K.et al.ACS Appl.Mater.Interfaces 2014，6，14311-14319；Ping，H.et al.Nano Lett.，2016，16，1523-1529；Ksenia，F.et al.ACS Nano，2015，9，5180-5188；Dae，J.Y.et al.Adv.Funct.Mater.2010，20，4258-4264)。在储能方面，不少研究发现，过渡金属氧化物具有较高的可逆容量，例如SnO₂理论容量为790mAh/g(Xiong，W.L.et al.Chem.Mater.2009，21，2868-2874)；MnO理论容量为756mAh/g(Sun，Y.et al.Adv.Funct.Mater.2013，23，2436-2444)。同时，这些过渡金属氧化物与锂反应具有较高的电化学活性。然而，由于大部分过渡金属属于半导体材料，导电性比较差，在充放电过程中晶体结构的改变和破坏更加重了脱/嵌锂反应的阻力，导致电化学活性逐渐降低。因此人们在积极探求过渡金属氧化物与其他材料的复合物，其中石墨烯由于它优良的导电性、机械性能和化学稳定性，成为一种很好的选择(Wu，Z.S.et al.Nano Energy 2014，10，172-180)。

对于大多数过渡金属氧化物与石墨烯复合物而言，大多数是氧化物附着在石墨烯纳米片表面，石墨烯与氧化物的紧密结合一定程度上影响了复合物的导电性和机械性能，从而影响了复合物作为锂离子电池负极材料的储能性能。

发明内容

为此，本发明的发明人经过广泛研究发现，在通过静电纺丝法合成的过渡金属氧化物(MnO和/或SnO₂)与石墨烯的复合纳米线中，石墨烯被埋在氧化物纳米线之间，由此大大地提高了该复合物的导电性和机械性能，同时也能够提高该复合物作为锂离子电池负极材料的储能性能，由此在锂离子电池等中具有广泛的应用。

在一方面，本发明提供一种过渡金属氧化物与石墨烯的复合纳米线，所述过渡金属氧化物选自MnO和SnO₂中的一种或多种，并且所述复合纳米线的直径在100nm至500nm之间。

在另一方面，本发明提供一种用于制备过渡金属氧化物与石墨烯的复合纳米线的方法，所述过渡金属氧化物选自MnO和SnO₂中的一种或多种，并且所述复合纳米线的直径在100nm至500nm之间，所述方法包括以下步骤：

(1)提供0.5-2mg/ml的氧化石墨(或其溶液)的C1-C4醇溶液；

(2)向步骤(1)中的溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮并搅拌以得到混合溶液；

(3)向步骤(2)中得到的混合溶液中加入锰和/或锡的可溶性盐，并搅拌以形成电纺溶液；

(4)将步骤(3)中得到的电纺溶液通过静电纺丝方法形成纳米线；

(5)将步骤(4)中得到的纳米线在还原性气氛中进行煅烧，得到所述复合纳米线。

优选地，在所述步骤(2)中，首先将步骤(1)中的溶液进行离心处理以得到上清液，然后向所述上清夜中加入聚乙烯吡咯烷酮并搅拌而得到所述混合溶液。

优选地，在步骤(4)和步骤(5)之间，所述方法还包括将步骤(4)中得到的纳米线在50-100℃下烘烤5-15h以除去残余溶剂和水分，然后再进行步骤(5)中所述的煅烧过程。

优选地，使用的锰的可溶性盐是四水乙酸锰，使用的锡的可溶性盐是辛酸亚锡。

优选地，用于静电纺丝的电纺装置的注射器容积为5～20ml，注射器针头的型号为16至22G，并且使用高压直流电源，其中连接针头的正压为13至25kV，连接所述电纺装置的接收板的负压为-5至-1kV。

优选地，所述针头与所述接收板之间的距离为12至20cm。

优选地，步骤(5)中的还原性气氛为惰性气体与氢气的混合气氛，并且所述煅烧在600至850℃的温度进行。

优选地，以1-30℃/分钟的升温速率从烘烤温度升至煅烧温度。

在另一个方面，本发明提供上述复合纳米线用于储能的用途。