氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料、其制备方法及用途技术

本发明专利技术实施例提供了一种氧化亚钴纳米晶‑石墨烯复合材料。本发明专利技术实施例还提供了一种复合材料的制备方法，包括：1)、将氧化石墨加入到第一有机溶剂中并分散；2)、加入乙酰丙酮钴和十八胺，将混合物加热至120～140℃，维持20～50分钟，然后升温至溶液沸腾回流，维持1～5小时；3)、加入第二有机溶剂将反应猝停，分离出固体，洗涤并干燥固体；4)、将干燥后的固体在惰性气体中热处理1～3小时。本发明专利技术实施例还提供了一种复合材料在有机体系Li‑O2电池中作为正极催化剂的应用。本发明专利技术实施例提供的复合材料中，氧化亚钴纳米晶均匀地生长在石墨烯基底上，分散性好，无团聚现象，从而使得复合材料的催化性能较好。

Cobaltous oxide nanocrystalline graphene composite material, preparation method and application thereof

The embodiment of the invention provides a cobaltous oxide nanocrystalline graphene composite materials. The embodiment of the invention also provides a method for preparing composite material, including: 1), the graphite oxide into the first organic solvent and dispersion; 2), acetylacetone cobalt and eighteen amine, the mixture is heated to 120 to 140 DEG C, for 20 to 50 minutes, and then heated to boiling solution return to maintain 1 to 5 hours; 3), adding second organic solvents will burst reaction stop, separating solid, washing and drying the solid; 4), the solid after drying in an inert gas heat treatment for 1 to 3 hours. The embodiment of the invention also provides an application of composite material as cathode catalyst in organic system O2 battery in Li. The composite materials provided by the embodiment of the invention, cobaltous oxide nanocrystalline evenly in graphene grown on a substrate, good dispersion, no agglomeration, so that the catalytic performance of composite is better.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及Li-O2电池
，特别是涉及氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料、其制备方法及用途。
技术介绍
近两年来，在国民经济快速增长的拉动下，我国能源需求增长较快，一些地区发生了不同程度的能源紧张局面，寻求一个高效稳定的能源以满足我们日益增长的能源需求已迫在眉睫。锂离子电池自1991年日本索尼公司将其商品化以来，已作为新一代绿色高能电池，普遍应用于移动电子设备中。近年来伴随着锂离子电池在动力设备、电动汽车等领域中的应用扩大化，传统的锂离子电池体系已无法满足需求。而Li-O2电池因为具有超高的理论能量密度(约11680Wh·kg-1)，因此有望满足现代动力能源的能量储存需求，从而引起了国内外诸多专家学者的研究兴趣。Li-O2电池采用金属锂作为负极，多孔气体扩散层作为正极，在放电过程中将锂和氧气的化学能转变为电能，并且在充电过程中通过分解锂和氧气的放电产物来存储电能。Li-O2电池最早由Littauer和Tsai两人在1976年提出，Abraham在1996年将其进一步发展。目前Li-O2电池主要有四大电池体系：1)水体系；2)有机体系；3)有机-水混合体系；4)全固态体系。从安全和成本考虑，有机体系是其中最有价值的一类电池体系。虽然Li-O2电池具有非常大的容量，但是其充放电过程动力学缓慢，这不仅降低了电池体系的能量效率，同时也大大限制了电池的寿命。研究表明，在Li-O2电池的正极负载催化剂会显著改善这一状况，大大降低充放电过程中的过电势，并改善其循环性能。氧化亚钴作为一种过渡金属氧化物，将其负载到有机体系Li-O2电池的正极中，显示出了一定的催化活性，但由于氧化亚钴纳米粒子在空气中很容易团聚成尺寸较大的氧化亚钴团簇，从而使得其催化性能较差。
技术实现思路
石墨烯具有极好的导电性、柔韧性和化学稳定性，较轻的质量和较大的比表面积，因此常作为基底来承载其他活性材料。石墨烯纳米片具有良好的分散性，能够有效地防止纳米粒子团聚，并能提供高效的单方向的导电性。基于此，本专利技术实施例提供了一种氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料、其制备方法及用途，以解决氧化亚钴纳米粒子在空气中很容易团聚的问题。具体技术方案如下：一种氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料，包括氧化亚钴纳米晶和石墨烯，其中，所述氧化亚钴纳米晶的粒径为2.5nm～7nm，所述石墨烯为片状结构，所述氧化亚钴纳米晶均匀地生长在石墨烯上。在本专利技术的一种优选实施方式中，所述复合材料存在介孔，所述介孔的平均孔径为2nm～10nm。本专利技术实施例还公开了一种氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)、将氧化石墨加入到第一有机溶剂中并分散；2)、加入乙酰丙酮钴和十八胺，将混合物加热至120℃～140℃，维持20分钟～50分钟，然后升温至溶液沸腾回流，维持1小时～5小时；所述氧化石墨的质量与所述乙酰丙酮钴的物质的量的比值为10mg/mmol～40mg/mmol；所述氧化石墨与所述十八胺的质量比为1:80～1:25；3)、加入第二有机溶剂将反应猝停，分离出固体，洗涤并干燥所述固体；4)、将干燥后的固体在惰性气体中热处理1小时～3小时；其中，热处理的温度为350℃～450℃。在本专利技术的一种优选实施方式中，步骤1)中的第一有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮及油胺中的至少一种。在本专利技术的一种更为优选实施方式中，步骤1)中所述氧化石墨与所述第一有机溶剂的质量体积比为0.8mg/mL～1.2mg/mL。在本专利技术的一种更为优选实施方式中，步骤1)中的分散为超声分散。在本专利技术的一种更为优选实施方式中，步骤3)中的第二有机溶剂为乙醇。在本专利技术的一种更为优选实施方式中，步骤4)中的惰性气体为氩气。本专利技术实施例还公开了一种氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料在有机体系Li-O2电池中作为正极催化剂的应用。本专利技术实施例提供了一种氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料、其制备方法及用途。本专利技术实施例以石墨烯为基底，通过热分解法合成得到氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料，该复合材料中氧化亚钴纳米晶均匀地生长在石墨烯基底上，分散性好，无团聚现象，从而使得该复合材料的催化性能较好。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例制备的氧化石墨和本专利技术实施例1制备的氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料的XRD(X-RayDiffraction，X射线衍射)图；图2为本专利技术实施例1制备的氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料的XPS(X-rayphotoelectronspectroscopy，X射线光电子能谱)的C1s能谱图；图3为本专利技术实施例1制备的氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料的氮气吸附脱附等温线图；图4(a)为本专利技术实施例1制备的氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料的SEM(ScanningEelectronMicroscope，扫描电子显微镜)图；图4(b)和图4(c)为本专利技术实施例1制备的氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料的TEM(TransmissionElectronMicroscope，透射电子显微镜)图；图4(d)为本专利技术实施例1制备的氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料的HRTEM(HighResolutionTransmissionElectronMicroscopy，高分辨透射电子显微镜)图；图4(e)为本专利技术实施例1制备的氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料的SAED(SelectedAreaElectronDiffraction，选区电子衍射)图；图5为本专利技术实施例1中两种电池的首次恒流充放电全循环曲线；图6为本专利技术实施例1中KB电池在限制容量为1000mAhgKB-1下的充放电比容量变化图；图7为本专利技术实施例1中复合材料电池在限制容量为1000mAhgKB-1下的充放电比容量变化图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例提供了一种氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料，包括氧化亚钴纳米晶和石墨烯，其中，氧化亚钴纳米晶的粒径为2.5nm～7nm，石墨烯为片状结构，氧化亚钴纳米晶均匀地生长在石墨烯上。优选的，上述氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料存在介孔，介孔的平均孔径为2nm～10nm。本文中，所说的术语“介孔”是指孔径在2nm～50nm范围内的孔。本专利技术实施例提供的氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料中，氧化亚钴纳米晶均匀地生长在石墨烯基底上，分散性好，无团聚现象，从而使得该复合材料的催化性能较好。本专利技术实施例还提供了一种上述氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)、将氧化石墨加入到第一有机溶剂中并分散；2)、加入乙酰丙酮钴和十八胺，将混合物加热至120℃～140℃，维持20分钟～50分钟，然后升温至溶液沸腾回流，维持1小时～5小时；所述氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化亚钴纳米晶‑石墨烯复合材料，其特征在于，包括氧化亚钴纳米晶和石墨烯，其中，所述氧化亚钴纳米晶的粒径为2.5nm～7nm，所述石墨烯为片状结构，所述氧化亚钴纳米晶均匀地生长在石墨烯上。

【技术特征摘要】
1.一种氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料，其特征在于，包括氧化亚钴纳米晶和石墨烯，其中，所述氧化亚钴纳米晶的粒径为2.5nm～7nm，所述石墨烯为片状结构，所述氧化亚钴纳米晶均匀地生长在石墨烯上。2.如权利要求1所述的氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料，其特征在于，所述复合材料存在介孔，所述介孔的平均孔径为2nm～10nm。3.如权利要求1或2所述的氧化亚钴纳米晶-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、将氧化石墨加入到第一有机溶剂中并分散；2)、加入乙酰丙酮钴和十八胺，将混合物加热至120℃～140℃，维持20分钟～50分钟，然后升温至溶液沸腾回流，维持1小时～5小时；所述氧化石墨的质量与所述乙酰丙酮钴的物质的量的比值为10mg/mmol～40mg/mmol；所述氧化石墨与所述十八胺的质量比为1:80～...

【专利技术属性】
技术研发人员：马淑兰，袁萌伟，杨燕，孙根班，
申请(专利权)人：北京师范大学，北京师大科技园科技发展有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11