[发明专利]一种含氧官能团梯度分布的还原氧化石墨烯/石墨烯泡沫复合材料及其在钒电池中的应用

摘要

本发明公开了一种含氧官能团梯度分布的还原氧化石墨烯/石墨烯泡沫复合材料及其在钒电池中的应用，属于电池材料和能源存储领域。通过化学气相沉积法获得石墨烯泡沫，结合氧化石墨烯气凝胶制备，得到了三维石墨烯泡沫与氧化石墨烯气凝胶结构，并利用金属进行梯度还原，实现了石墨烯三维网络的高导电性与丰富含氧官能团的氧化石墨烯集成。将此材料作为钒电池的电极材料，可提高V²⁺/V³⁺与VO²⁺/VO₂⁺氧化反应的电催化活性和电化学可逆性；并减小电荷转移电阻，提高钒电池的能量效率和循环寿命。本发明操作简便、产率高、易于进行结构调控，具有极佳的应用前景。

主权项

1.一种含氧官能团梯度分布的还原氧化石墨烯/石墨烯泡沫复合材料，其特征在于：该复合材料是首先通过化学气相沉积技术在三维多孔金属模板上生长具有三维连通结构的石墨烯泡沫，将其浸泡在氧化石墨烯水溶液中，通过化学组装过程在石墨烯泡沫的孔道表面形成氧化石墨烯气凝胶，获得氧化石墨烯气凝胶/石墨烯泡沫/多孔金属复合结构；将该复合结构与还原电位低于氧化石墨烯的金属接触，对氧化石墨烯梯度还原，随后刻蚀去除金属模板后，得到含氧官能团梯度分布的还原氧化石墨烯/石墨烯泡沫复合材料；该复合材料的制备方法具体包括如下步骤：(1)石墨烯泡沫/多孔金属的制备：以泡沫镍或泡沫铜三维多孔金属为模板，通过化学气相沉积技术，在其表面催化裂解碳源气体生长石墨烯，获得具有三维连通结构的石墨烯泡沫/多孔金属；(2)含氧官能团梯度分布的还原氧化石墨烯/石墨烯泡沫/多孔金属的制备：将石墨烯泡沫/多孔金属浸泡在氧化石墨烯水溶液中，加热处理后，在石墨烯泡沫/多孔金属的孔道表面形成氧化石墨烯气凝胶，获得氧化石墨烯气凝胶/石墨烯泡沫/多孔金属复合结构，将其与还原电位低于氧化石墨烯的金属接触，实现氧化石墨烯梯度还原，还原的时间为10min～4h；冷冻干燥后得到含氧官能团梯度分布的还原氧化石墨烯/石墨烯泡沫/多孔金属复合结构；所述还原电位低于氧化石墨烯的金属为锌、铬或钛；所述氧化石墨烯水溶液中，氧化石墨烯浓度为0.5mg/ml～12mg/ml，pH值为3～6；所述加热处理的处理温度为20℃～100℃，处理时间为6h～72h；(3)多孔金属刻蚀：用多孔金属刻蚀液除去多孔金属模板，冷冻干燥后得到含氧官能团梯度分布的还原氧化石墨烯/石墨烯泡沫复合材料；进行氧化石墨烯梯度还原过程中，含氧化石墨烯经梯度还原后，含氧官能团在其中呈梯度分布，含氧官能团的富集表面的氧含量为30％～40％，含氧官能团的贫瘠表面的氧含量为10％～15％；该复合材料的密度为0.5mg/cm³～500mg/cm³，孔隙率为30％～99％，比表面积为130m²/g～2600m²/g，电导率为1S/cm～2000S/cm，孔径为10nm～100μm，含氧官能团的梯度分布由高到低为40％至10％。