一種高效製備石墨烯/金屬氧化物複合材料的方法與流程

2023-09-21 19:50:10 1

本發明屬於能源材料領域，特別是涉及一種高效製備石墨烯/金屬氧化物複合材料的方法。

背景技術：

隨著電動汽車、混合動力汽車以及高端儲能系統對高性能鋰離子電池的迫切需求，開發具有高容量、高倍率性能、長循環壽命的負極材料已成為該領域的主流發展方向。與商業化石墨類負極材料相比，SnO2、Fe2O3、ZnO等金屬氧化物具有較高的理論嵌鋰容量，近年來受到國內外學者的高度關注。但此類材料在充放電過程中會出現嚴重的體積膨脹，產生大的形變應力，導致電極材料破碎，最終造成電池容量不斷衰減。為解決此問題，研究者將金屬氧化物與碳類材料複合，以期在提高材料導電性的同時，碳材料可抑制金屬氧化物大的體積膨脹，提高材料循環能力。石墨烯因其超大的比表面積，高導電性、優異的機械強度和化學穩定性，成為鋰離子電池活性金屬氧化物載體的首選材料。

現階段製備石墨烯/金屬氧化物複合材料的方法有：目組裝法，凝膠-溶膠法，電化學法，化學還原法，水/溶劑熱法，微波輔助法等。上述製備方法中，金屬氧化物的負載與氧化石墨烯的還原常需分步完成，製備工藝繁瑣；反應過程中，有機溶劑、高危還原劑的使用或高溫熱處理，增加了反應能耗且不利於環保。此外，如何抑制反應過程中納米金屬氧化物的團聚，提高材料分散性及與石墨烯的負載力等問題也亟須解決。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提供了一種基於γ輻照高效製備石墨烯/金屬氧化物複合材料的方法。該方法首先超聲混合金屬鹽與氧化石墨水溶液，使金屬離子插層吸附進入氧化石墨烯層間。之後通過γ射線輻照，誘導氧化石墨烯表面含氧官能團與金屬離子反應，同步實現氧化石墨烯的還原與金屬離子的氧化，最終獲得石墨烯/金屬氧化物複合材料。該方法一步獲得目標產物，工藝簡單，成本低廉，有利於材料的工業化製備。此外，輻照過程中氧化石墨表面豐富的含氧基團與金屬離子發生氧化還原作用，有效實現了納米金屬氧化物在石墨烯表面的均勻分散和牢固錨定，使得材料結構均一穩定，該材料用作鋰電池負極，展現出優異的電化學性能。

本發明的技術方案通過以下步驟實現：

(1)將一定濃度的金屬鹽和氧化石墨水溶液按比列混合，超聲分散0.5～5h後製得均勻的混合液並轉移至密閉容器中。

(2)將該混合液置於60Co的輻照源下進行γ射線輻照。

(3)對輻照完全的樣品進行洗滌，乾燥，即得到石墨烯/金屬氧化物複合材料。

上述步驟(1)中的金屬鹽為SnCl2、FeCl2、ZnCl2、Sn(NO3)、Zn(NO3)2、SnSO4、FeSO4、ZnSO4等無機金屬鹽中的一種或幾種。

上述步驟(1)中的氧化石墨水溶液濃度為0.1～20mg/mL，金屬鹽濃度為0.1～40mg/mL。氧化石墨與金屬鹽的體積比為1∶0.1～10。

上述步驟(2)中的輻照劑量率為0.5～100Gy/min，輻照劑量為10～100KGy，輻照環境溫度為0～60℃。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明提供的石墨烯，金屬氧化物複合材料製備方法進行詳細說明。

實施例1：

將3mg/mL的氧化石墨溶液與12mg/mL，的SnCl2溶液按照1∶0.5的體積比混合，超聲2h，分散均勻後轉入密閉容器中，之後將盛有混合液的容器在常溫下進行γ射線輻照處理，輻照劑量為60KGy，劑量率為0.75Gy/min。輻照完成後，將樣品洗滌分離並冷凍乾燥，即得石墨烯/納米SnO2複合材料。

實施例2：

將4mg/mL的氧化石墨溶液與4mg/mL的FeCl2溶液等體積混合，超聲3h，分散均勻後轉入密閉容器中，之後將盛有混合液的容器在常溫下進行γ射線輻照處理，輻照劑量為80KGy，劑量率為1.0Gy/min。輻照完成後，將樣品洗滌分離之後置於60℃烘箱中乾燥12h，即得石墨烯納米Fe2O3複合材料。

實施例3：

將6mg/mL的氧化石墨溶液與10mg/mL的ZnCl2溶液按1∶0.3的體積比混合，超聲4h，分散均勻後轉入密閉容器中，之後將盛有混合液的容器在常溫下進行γ射線輻照處理，輻照劑量為100KGy，劑量率為10Gy/min。輻照完成後，將樣品洗滌分離並冷凍乾燥，即得石墨烯/納米ZnO複合材料。