一種制備石墨烯基氧化鎳納米復合材料的方法
【專利說明】一種制備石墨烯基氧化鎳納米復合材料的方法
[0001]所屬領域
[0002]本發(fā)明屬于一種制備石墨烯基氧化鎳納米復合材料的方法。
技術背景
[0003]石墨烯是一種二維平面結構的新型炭材料，它具有超高的比表面積以及優(yōu)異的電子傳導性等特點，使其成為了一種優(yōu)良的載體(Electrochim.Acta.，2013, 89:516)。最近，許多研究者致力于合成過渡金屬氧化物/氫氧化物與石墨烯的納米復合材料(J.PowerSources, 2013, 226:65-70)。該種納米復合材料因其不同組分間的協(xié)同效應而表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，有望用于超級電容器的電極材料，(Adv.Mater.,2011, 23:4828)。目前，制備該種納米復合材料的方法包括:共沉淀發(fā)、水熱法以及電化學沉積法等，但這些傳統(tǒng)的方法因其存在著結構相的隨機分布，從而導致石墨烯在復合材料的制備過程中很容易團聚。因此，在分子層面進行異質(zhì)自組裝被認為是一種構建高質(zhì)量石墨烯復合材料的有效方法。
[0004]α -型氫氧化物在c軸方向上由帶正電荷的[M(OH)2 χ(Η20)χΓ層無序堆積形成，它們層間存在的插層水分子和陰離子共同維持了化合物的電中性，并使得該氫氧化物具有較大的插層空間，利于剝離成一種帶正電的2D納米片。然而存在于這種氫氧化物層間的氫鍵和較高的層電荷密度，使得其只能在有機物溶劑中剝離(J.Mater.Chem.，2001, 11:105 ;J.Colloid Interface Sc1., 2005, 288:629) 0大多數(shù)有機溶劑有毒，對環(huán)境不友好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種制備方法簡單、成本較低、對環(huán)境友好，比較適合大規(guī)模生產(chǎn)的制備石墨烯基氧化鎳納米復合材料的方法。
[0006]本發(fā)明采用異質(zhì)自組裝的方法，通過靜電作用實現(xiàn)了氧化鎳和石墨烯在分子水平上的復合，并且顯著提高氧化鎳作為超級電容器電極材料的準電容特性。
[0007]本發(fā)明通過下述技術方案予以實現(xiàn):
[0008](I)將氧化石墨在去離子水中超聲處理，超聲時間為10-90min，超聲功率為600-1000W，得到濃度為0.l-5mg mL 1的氧化石墨烯溶液；
[0009](2)將硝酸鎳溶解在去離子水中，磁力攪拌10-50min，得到濃度為0.01-0.05molL 1的硝酸鎳溶液，然后滴加NH 3.H2O并不斷攪拌，直至溶液pH到8-10，繼續(xù)攪拌20_40min并靜置3-36h后抽濾2-4次，得到氫氧化鎳沉淀；按氫氧化鎳:去離子水=0.5-1.2g:300-600ml，取氫氧化鎳沉淀加入去離子水中，超聲處理0.2_lh，得到氫氧化鎳膠體溶液；
[0010](3)將氧化石墨烯水溶液和氫氧化鎳膠體溶液按溶質(zhì)質(zhì)量比1:5-70混合，攪拌20-50min，并靜置3_12h后抽濾1_3次，再經(jīng)冷凍干燥12_24h后研磨即可得到粉末狀氧化石墨烯基氫氧化鎳納米復合材料；
[0011](4)將粉末狀氧化石墨烯基氫氧化鎳納米復合材料在惰性氣氛下，于250-500°C煅燒處理3-6h，得到石墨稀基氧化鎳納米復合材料。
[0012]本發(fā)明制備的石墨烯基氧化鎳納米復合材料其比容量為200_700Fg 1O
[0013]步驟(I)中所述的氧化石墨是由Hummers法制備的。
[0014]步驟(2)所述氫氧化鎳懸浮液的靜置時間為3-36h，優(yōu)選時間為12-36h。
[0015]步驟(3)所述氧化石墨烯與氫氧化鎳質(zhì)量比為1:5 - 70，優(yōu)選為1:10 — 70。
[0016]步驟⑷所述的煅燒時間為3_6h，優(yōu)選時間為4_6h。
[0017]本發(fā)明的有益效果如下:
[0018]1.通過帶正負電荷的二維納米片之間的靜電作用力，實現(xiàn)了石墨烯和氧化鎳在分子水平上的組裝，使得石墨烯與氧化鎳納米片間界面結合緊密，將有利于復合材料中的應力及電子傳輸。
[0019]2.該復合材料中氧化鎳負載量高、分散均勻，表現(xiàn)出了其作為超級電容器電極材料的準電容特性。
[0020]3.本發(fā)明實現(xiàn)了在水中對α -型氫氧化鎳的剝離分散，無需特殊設備，工藝簡單，綠色環(huán)保，利于規(guī)?；a(chǎn)。
【附圖說明】
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[0021]圖1為所有實施例產(chǎn)物在電流密度為IAg 1時的比電容折線圖。
[0022]圖2為實施例5在不同電流密度下的充放電曲線圖。
[0023]圖3為實施例5石墨烯基氧化鎳納米復合材料的表面掃描電鏡圖。
[0024]圖4為實施例5石墨烯基氧化鎳納米復合材料的橫斷面掃描電鏡圖。
【具體實施方式】
[0025]下面用實施例來進一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于實施例。對本領域的技術人員在不背離本發(fā)明的精神和保護范圍情況下做出的其它的變化和修改，仍包括在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
[0026]實施例1
[0027]將Hummers法所制氧化石墨在去離子水中超聲處理，超聲時間為lOmin，超聲功率為600W，得到濃度為0.1mg mL 1帶負電荷的氧化石墨烯溶液。將2.0137g的Ni (NO3)2.6Η20溶解在200ml的去離子水中，得到濃度為0.035mol L 1的硝酸鎳溶液，磁力攪拌30min，然后滴加NH3.H2O并不斷攪拌，直至溶液pH到8，繼續(xù)攪拌20min，靜置3h，然后對所得沉淀溶液抽濾2次后得到氫氧化鎳固體沉淀；取氫氧化鎳沉淀0.5g加入300ml去離子水再經(jīng)
0.3h超聲處理，獲得帶正電荷的氫氧化鎳懸浮液。按氧化石墨烯和氫氧化鎳質(zhì)量比1:5比例，將氧化石墨烯水溶液和氫氧化鎳懸浮液混合，攪拌20min，靜置3h后抽濾I次后冷凍干燥12h，再經(jīng)研磨后得到氧化石墨烯基氫氧化鎳納米復合材料。在氬氣氣氛下于250°C熱處理3h后制得石墨烯基氧化鎳納米復合材料。該復合材料中石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為15.905%。
[0028]按質(zhì)量比為75:10:10:5的比例加入制得的石墨稀基氧化鎳納米復合材料、石墨、乙炔黑、聚四氟乙烯，均勻混合后涂在面積為Icm2的泡沫鎳片上，以6M的KOH為電解液，鉑電極為對電極，汞/氧化汞電極為參比電極，在電流密度為IAg 1下，其比電容為210F g 1O
[0029]實施例2
[0030]將Hmnmers法所制氧化石墨在去離子水中超聲處理，超聲時間為15min，超聲功率為650W，得到濃度為0.5mg mL 1帶負電荷的氧化石墨烯溶液。將2.0926g的Ni (NO 3) 2.6Η20溶解在400ml的去離子水中，得到濃度為0.018mol L 1的硝酸鎳溶液，磁力攪拌lOmin，然后滴加NH3.H2O并不斷攪拌，直至溶液pH到8.5，繼續(xù)攪拌25min，靜置8h，然后對所得沉淀溶液抽濾3次后得到氫氧化鎳固體沉淀；取氫氧化鎳沉淀0.6g加入400ml去離子水再經(jīng)
0.4h超聲處理，獲得帶正電荷的氫氧化鎳懸浮液。將氧化石墨烯水溶液和氫氧化鎳懸浮液按溶質(zhì)質(zhì)量比1:7比例混合，攪拌25min，靜置5h后抽濾2次后冷凍干燥14h，再經(jīng)研磨后得到氧化石墨烯基氫氧化鎳納米復合材料。在氬氣氣氛下于300°C熱處理3.5h后制得石墨稀基氧化鎳納米復合材料。該復合材料中石墨稀的質(zhì)量分數(shù)為15.628%。
[0031]按質(zhì)量比為75:10:10:5的比例加入制得的石墨稀基氧化鎳納米復合材料、石墨、乙炔黑、聚四氟乙烯，均勻混合后涂在面積為Icm2的泡沫鎳上，以6M的KOH為電解液，鉑電極為對電極，汞/氧化汞電極為參比電極，在電流密度為IA g 1下，其比電容為290F g 1O
[0032]實施例3
[0033]將Hummers法所制氧化石墨在去離子水中超聲處理，超聲時間為25min，超聲功率為700W，得到濃度為Img mL 1帶負電荷的氧化石墨烯溶液。將3.1074g的Ni (NO 3) 2.6H20溶解在300ml的去離子