[发明专利]石墨烯复合的碳限域金属氧化物纳米点材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及石墨烯复合的碳限域金属氧化物纳米点及其制备方法，该材料作为在电化学储能器件的电极材料，其由碳层包覆的金属氧化物纳米点均匀负载于石墨烯片上构成，所述的金属氧化物纳米点的直径小于10nm，所述的碳层包覆的厚度为1～2nm，所述的石墨烯复合的碳限域金属氧化物纳米点材料的比表面积为100～300m²g^‑1。本发明的有益效果是：利用金属有机错配反应制备石墨烯复合碳限域金属氧化物纳米点材料，该材料作为能源存储的材料，具有优异的电化学性能，具有原料廉价、工艺简单环保、产量大、材料电化学性能优异的特点。该方法提供了制备石墨烯复合碳限域金属氧化物纳米点材料一种普适策略，并具有大规模应用的潜力。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学器件技术领域，具体涉及一种石墨烯复合的碳限域金属氧化物纳米点及其制备方法，该材料可作为在电化学储能器件的电极材料，并具有极大地推广普适性。

背景技术

随着便携式设备，电动汽车以及混合动力汽车的爆炸式发展，高性能能源存储设备的开发迫在眉睫，锂离子电池技术便是其中之一。锂离子电池作为能源存储设备，具有成本低，能量密度与功率密度高，循环寿命长的特点。受制于正负极反应较慢的动力学过程，锂离子电池很难达到像超级电容器那样的高倍率性能，进而限制了其在动力系统中的应用。因此，开发具有高倍率性能的锂离子电池电极材料具有重要意义。

与商业化石墨相比，金属氧化物因其储量丰富，价格低廉，理论容量高(700mAhg^-1)的特点而备受关注。但其较低电导率与充放电过程中较大的体积膨胀，严重制约了其在锂离子电池中的应用。以SnO₂为例，SnO₂具有1494mAh g^-1的理论容量，但其充放电过程中～300％的体积膨胀导致了电极材料严重的粉化与团聚问题，进而导致了材料很差的倍率性能与循环稳定性。设计构筑合适的纳米结构的可以有效的避免这一问题。另一方面，SnO₂是禁带宽度约为3.7eV的半导体，电子电导较差。最近的研究表明，石墨烯作为负载材料的基板时可以显著提高复合结构的电子电导。因此，如何将纳米结构的金属氧化物活性材料与石墨烯进行有效的复合是解决这类材料本征缺点的关键。

在过去的十年中，一类新的多孔晶体材料——金属有机框架化合物(metal-organic frameworks,MOFs)受到了广泛的关注。通过金属离子或离子簇与有机配体的配位反应，人们可以很容易地得到长程有序的MOFs材料。由于MOFs结构中这种有机无机成分均匀分散的性质，近年来，MOFs材料在能源存储领域被应用于合成各种各样的碳基材料。但是，热解MOF材料会造成碳基纳米颗粒团聚。因此，合成高度分散的碳基纳米颗粒仍然是巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单，易于推广，具有优异性能的石墨烯复合的碳限域金属氧化物纳米点材料及其制备方法，其可作为锂离子电池负极活性材料应用。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：石墨烯复合的碳限域金属氧化物纳米点材料，其由碳层包覆的金属氧化物纳米点均匀负载于石墨烯片上构成，所述的金属氧化物纳米点的直径小于10nm，所述的碳层包覆的厚度为1～2nm，所述的石墨烯复合的碳限域金属氧化物纳米点材料的比表面积为100～300m²g^-1。

按上述方案，所述的金属氧化物为SnO₂，Cr₂O₃，Fe₃O₄或Al₂O₃。

所述的石墨烯复合的碳限域金属氧化物纳米点材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)采用改进的Hummer方法制备石墨烯胶体溶液；