[发明专利]一种金属氧化物/三维多孔石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于碳基复合材料技术领域，更具体地，涉及一种金属氧化物/三维多孔石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

二维石墨烯是一种单层或少层的石墨化碳材料，由于其具有大的理论比表面积、高导电性、强的电化学稳定性以及表面可功能化等特性，因而被认为是较理想的碳载体。但是，由于二维石墨烯之间具有强的范德华力或悬键作用力，使得制成的石墨烯易于团聚或堆叠。另外，二维石墨烯具有大的侧边尺寸，使得锂离子沿着侧边传输非常困难。因而限制了二维石墨烯在锂离子电池中的实际使用。三维石墨烯具有能有效防止二维石墨烯团聚或堆叠的结构，它不仅具有石墨烯的本征特性，还具有自身独特的自支撑相互连通的三维大孔网络结构，以及较高比表面积等特点，三维石墨烯作为锂离子电池的负极材料载体，表现出了相对较高的循环稳定性和优异的倍率性能，这是因为三维石墨烯载体能有效地增强复合材料的机械性，有多维的离子和电子传输通道，能够加快电解液的传输能力和电子转移速率，从而提高复合电极材料的倍率性能和循环稳定性。

纳米量子点作为一种三维物理尺寸超小的纳米粒子(一般其直径为1～10nm)，其外观像一极小的点状物，具有超高的比表面积和表面原子比，超短的电荷传输距离。在石墨烯表面生长的金属氧化物纳米颗粒的大小和分散性，在改进复合材料的倍率性能和稳定性，起着决定性作用。因为小的纳米粒子具有高的比表面积和表面原子比，能有效地缓冲纳米活性材料的体积膨胀，也能增加更多的锂离子反应活性位点以及缩短锂离子的固态扩散距离，进而提高复合电极材料的储锂性能和倍率性能；而好的分散性能使每个纳米粒子和碳载体尽量充分接触，增加每个纳米粒子的导电性，从而提高纳米粒子的利用率，降低复合材料的内阻。因此，小的纳米颗粒加上好的分散性，有利于在增加复合材料储锂性能的同时又能保证复合材料具有高功率密度和良好的稳定性能。

但是目前的制备工艺存在所制备材料中的金属氧化物粒径过大、工艺复杂、不利于规模化生产等缺点。例如CN103400967A公开了一种三维多孔的钴基石墨烯复合材料及其制备方法，其将石墨烯和钴盐前驱体分散在溶剂中，置于反应釜中进行溶剂热反应，冷冻干燥后转移至高温炉中，空气气氛中升温至200～500℃，高温处理0.5～12h，冷却即得所述三维多孔的钴基/石墨烯复合材料。该方法制备的钴基/石墨烯复合材料中钴基材料的颗粒为数百纳米，需要高温处理，不利于工业化规模生产。CN103466607N公开了一种石墨烯-金属氧化物纳米颗粒三维多孔复合材料，其将原料氧化石墨烯和金属盐混溶于水中混合均匀，再将产物进行冷冻干燥处理后在一定的气氛或真空下热处理得到石墨烯-金属氧化物纳米颗粒三维多孔复合材料，其中所述热处理温度在200～1100℃，热处理时间在10秒至10小时之间。该制备方法需要在一定气氛条件下进行热处理，且热处理温度较高。

目前制备金属氧化物/三维多孔石墨烯复合材料的方法均存在工艺复杂，所得复合材料中金属氧化物颗粒过大，导致在应用于锂离子电池时表现出倍率性能不佳，比容量不高，因此寻找一种工艺简单、金属氧化物颗粒小的制备方法尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种金属氧化物/三维多孔石墨烯复合材料的其制备方法。该方法以金属盐和三维多孔石墨烯粉末为原料，解决了金属氧化物量子点在三维多孔石墨烯表面分布不均匀、颗粒尺寸过大等问题，同时保持了三维多孔石墨烯所具有的微/纳结构。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备的金属氧化物/三维多孔石墨烯复合材料。

本发明的再一个目的在于提供上述金属氧化物/三维多孔石墨烯复合材料的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：

一种金属氧化物量子点/三维多孔石墨烯复合材料的制备方法，包括如下具体步骤：

S1.将三维多孔石墨烯粉末均匀超声分散到有机溶剂中，再将金属盐加入其中，搅拌溶解，在搅拌条件下滴加去离子水，得到均匀的分散液；

S2.将步骤S1中所得分散液转移至水热反应釜中在100～200℃进行水热反应后，待其自然冷却；

S3.将步骤S2所得的产物经抽滤、洗涤、烘干处理，即得金属氧化物量子点/三维多孔石墨烯复合材料。

优选地，步骤S1中所述的三维多孔石墨烯粉末的尺度为1～100微米；所述的有机溶剂为无水乙醇、丙酮、四氯化碳、二硫化碳、乙二醇或异丙醇中的一种或任意两种。

优选地，步骤S1中所述的金属盐为锡盐、锗盐、硅盐、铁盐、钴盐或钛盐。