[发明专利]一种ZIF-67基钴钼氧化物空心纳米笼/石墨烯复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种ZIF‑67基钴钼氧化物空心纳米笼/石墨烯复合材料及其制备方法与应用，属于锂离子电池负极材料制备领域，其是先将ZIF‑67金属有机框架与氧化石墨烯（GO）复合，再通过水浴的方法将GO上复合的ZIF‑67转化为空心的Co(OH)₂‑CoMoO₄纳米笼结构，最后通过在氩氢气中煅烧得到ZIF‑67基钴钼氧化物空心纳米笼/石墨烯复合电极材料。本发明制备的电极材料是由大小均一的钴钼氧化物空心纳米笼均匀的负载在石墨烯基底上而形成，其具有较高的容量、优良的倍率性能和循环稳定性。

技术领域

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种ZIF-67基钴钼氧化物空心纳米笼/石墨烯复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池被广泛应用在储能装置、动力电源系统以及诸多电子设备上。锂离子电池常用的负极材料为碳材料，其导电性良好，性能也很稳定，但由于碳材料在充放电过程中的嵌入/脱嵌机制，导致其理论容量只有372 mAh/g，这个较小的容量大大限制了锂离子电池的使用，使其很难满足人们对电池容量的需求。

过渡金属氧化物作为另外一种锂离子电池常用的负极材料，具有2~3倍于碳材料的理论容量，是碳材料理想的替代品，但是金属氧化物导电性并不好，这会大大影响材料倍率性能，并且其充放电过程中的转换反应机制会导致其体积极大的变化，使材料粉碎，从而导致电池容量迅速下降。

ZIF-67作为一种含钴的金属有机框架，可以作为模板，利用简单的方法得到含过渡金属氧化物的立体结构。利用碳材料中的石墨烯作为过渡金属氧化物复合的基底材料，可以利用两者的协同作用，充分发挥两者的优点，制备出高性能的锂离子电池的负极材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种ZIF-67基钴钼氧化物空心纳米笼/石墨烯复合材料及其制备方法与应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种ZIF-67基钴钼氧化物空心纳米笼/石墨烯复合材料，其是先将ZIF-67金属有机框架与氧化石墨烯复合，然后通过水浴将氧化石墨烯上的ZIF-67转化为空心的Co(OH)₂-CoMoO₄纳米笼结构，最后通过在氩氢气中煅烧，得到钴钼氧化物空心纳米笼/石墨烯复合材料。其具体制备步骤如下：

（1）将氧化石墨烯加入到甲醇中，超声分散30分钟，使氧化石墨烯在甲醇中分散均匀，并加入聚乙烯吡咯烷酮，得到含氧化石墨烯5 mg/mL的悬浮液；

（2）称取130~390 mg二甲基咪唑和36~108 mg六水合硝酸钴，分别溶于10~30 mL甲醇和6~18 mL甲醇，得到二甲基咪唑甲醇溶液和六水合硝酸钴甲醇溶液；

（3）量取1~3 mL步骤（1）得到的悬浮液，在搅拌条件下将其滴加到步骤（2）得到的六水合硝酸钴甲醇溶液中，再在搅拌条件下将步骤（2）得到的二甲基咪唑甲醇溶液滴加到其中，室温下静置反应1~6小时，用乙醇离心3~5次，取沉淀物备用；

（4）将步骤（3）所得沉淀物分散在25~75 mL无水乙醇中，得乙醇悬浮液；称取50~150 mg二水钼酸钠溶解于5~15 mL去离子水中，得浓度为10 mg/mL的二水钼酸钠水溶液；然后将所得二水钼酸钠水溶液加入到乙醇悬浮液中，再将制得的混合液转移到圆底烧瓶中并置于水浴锅上，80~160℃水浴反应0.5~2小时，待其自然冷却到室温后，用乙醇和水共同离心洗涤3-5次，将洗涤后的产物冷冻干燥；

（5）称取5~20 mg步骤（4）冷冻干燥的产物，放置于管式炉的瓷舟中通氩氢气30分钟，随后升温到300~400℃，保温1~3小时，接着冷却到室温后取出，即得到ZIF-67基钴钼氧化物空心纳米笼/石墨烯复合材料。

进一步地，步骤（1）中加入氧化石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:10。