碳包覆金属氧化物纳米点负载石墨烯复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳包覆金属氧化物纳米点负载石墨烯复合材料的制备方法，配制氧化石墨烯悬浮液，再配制羰基金属分散液，混匀，进行第一次溶剂热反应，得金属氧化物纳米点负载石墨烯；加热葡萄糖，进行第二次溶剂热反应，制得碳包覆金属氧化物纳米点负载石墨烯复合材料。该制备方法可以实现超小金属氧化物在石墨烯表面的均匀负载，颗粒粒径可以实现不同尺度的调控，从小于1纳米到几十纳米，并可以实现金属氧化物纳米点的碳包覆。制得的复合材料增强了复合材料在电化学器件中的稳定性能，在超级电容器、锌离子电池等储能领域以及电催化领域有着潜在的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
碳包覆金属氧化物纳米点负载石墨烯复合材料的制备方法
本专利技术属于石墨烯材料制备
，涉及一种碳包覆金属氧化物纳米点负载石墨烯复合材料的制备方法。
技术介绍
石墨烯是由sp2杂化的碳原子通过共价键形成的蜂巢状二维平面结构，被认为是其它各维碳材料的基本结构单位。由于其独特的结构，石墨烯展现出一系列优异的物理化学性质，如超高的力学强度(1060GPa)，突出的导热性和导电性，高速的电子迁移率（室温下15000cm2/(V·s)）及超高的比表面积（理论计算为2600m2/g），使其在能量转化储存、场效应晶体管、纳米复合材料和高灵敏度传感器等领域中发挥巨大的作用。尤其是利用石墨烯的力学和电化学特性及其巨大的比表面积，已引起了研究者越来越广泛的关注。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。独特的二维空间网络结构及杰出的导电性能、机械性能以及超大的比表面积使得石墨烯成为超级电容器等储能器件中的双层电容器的理想电极材料，但石墨烯由于范德华力作用容易团聚，可利用的活性表面减少及导电率、电容量降低。石墨烯与金属氧化物复合材料主要是利用石墨烯大的比表面积及其可负载功能性粒子的特性，使之与金属氧化物形成具有一定功能的复合材料，同时提高其性能。为了更多地提高石墨烯基电极材料的能量密度，利用金属氧化物与石墨烯进行复合的方法可以使纳米粒子嵌入相邻的石墨烯片层间，有效阻止石墨烯片发生堆叠从而保持高的电荷容量。相比于其他复合材料，石墨烯与金属氧化物复合材料有着成本低、制备方法简单等优势，具有非常大的实际应用潜能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种碳包覆金属氧化物纳米点负载石墨烯复合材料的制备方法，以制得性能更加优异的石墨烯复合材料。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种碳包覆金属氧化物纳米点负载石墨烯复合材料的制备方法，具体为：1）将氧化石墨烯粉末加入氮-氮二甲基甲酰胺（DMF）中，超声分散2小时，配成质量体积浓度为0.5～5g/L的氧化石墨烯悬浮液；2）取质量为步骤1）中所取氧化石墨烯粉末质量50%的固体羰基金属；取辛胺，所取辛胺与步骤1）制得的氧化石墨烯悬浮液的体积比为0.001～0.05︰1；将固体羰基金属和辛胺同时分散于DMF中，得质量体积浓度为1g/L的第一分散液；按体积比0.5︰1，分别取第一分散液和步骤1）中制得的石墨烯悬浮液，混合均匀，置于不锈钢反应釜中，然后将反应釜放入烘箱中，170℃温度下溶剂热2小时，制得金属氧化物纳米点负载石墨烯；或者，将液体羰基金属分散于DMF中，制得质量体积浓度为5g/L的第二分散液，按体积比1︰10，分别取第二分散液和步骤1）制得的石墨烯悬浮液，混合均匀，置于不锈钢反应釜中，然后将反应釜放入烘箱中170℃温度下溶剂热2小时，制得金属氧化物纳米点负载石墨烯；或者，取质量为步骤1）中所取氧化石墨烯粉末质量50%的固体羰基金属；取辛胺，所取辛胺与步骤1）制得的氧化石墨烯悬浮液配的体积比为0.001～005︰1；将该固体羰基金属和辛胺同时分散于DMF中，制得质量体积浓度为1g/L的第三分散液；将液体羰基金属分散于DMF中配置成质量体积浓度为5g/L的第四分散液；按体积比1︰4︰10，分别取第四分散液、第三分散液和步骤1）中制得的石墨烯悬浮液，混合均匀，置于不锈钢反应釜中，然后将反应釜放入烘箱中100～200℃温度下溶剂热1～3小时，制得金属氧化物纳米点负载石墨烯；或者，取两种质量分别为步骤1）中所取氧化石墨烯粉末质量50%的固体羰基金属；取辛胺，所取辛胺与步骤1）制得的氧化石墨烯悬浮液配的体积比为0.001～005︰1；将辛胺和该两种固体羰基金属同时分散于DMF中，制得质量体积浓度为1g/L的第五分散液；将液体羰基金属分散于DMF中配置成质量体积浓度为5g/L的第六分散液；按体积比1︰4︰10，分别取第六分散液、第五分散液和步骤1）中制得的石墨烯悬浮液，混合均匀，置于不锈钢反应釜中，然后将反应釜放入烘箱中100～200℃温度下溶剂热1～3小时，制得金属氧化物纳米点负载石墨烯；固体羰基金属采用羰基锰、羰基钴、羰基钼、羰基钨在的一种或者两种，当采用其中的两种时，该两种的质量相同；液体羰基金属采用羰基铁或者羰基镍；3）取质量与步骤1）中所取氧化石墨烯粉末质量相同的葡萄糖，将葡萄糖加入步骤2）制得的金属氧化物纳米点负载石墨烯中，混合均匀，100～200℃温度下溶剂热6小时，用无水乙醇和蒸馏水依次离心洗涤产物，冷冻干燥，制得碳包覆金属氧化物负载石墨烯复合材料。本专利技术制备方法的机理：氧化石墨烯的氮-氮二甲基甲酰胺分散液与羰基金属前驱体混合，并视前驱体的种类选择是否加入辛胺，然后进行溶剂热反应，反应过程中，羰基金属脱羰基化反应，并在原子级别层面与石墨烯进行复合，由于石墨烯表面丰富的含氧官能团，金属氧化物容易在石墨烯缺陷处进行成核生长，根据控制前驱体和表面活性剂的加入量以及反应温度、时间等参数，可以精确控制金属氧化物纳米点的成核均匀程度以及大小；在包碳过程中，葡萄糖的加入首先与表面活性更高的金属氧化物纳米点相结合，形成碳包覆的金属氧化物纳米点结构。用本专利技术制备方法制备亚纳米（孔径<1nm）结构的单元金属氧化物负载石墨烯复合材料时，采用羰基钴为前驱体。用本专利技术制备方法制备孔径1～5nm的纳米结构的碳包覆单元金属氧化物负载石墨烯复合材料时，采用羰基镍、羰基铁、羰基锰为前驱体。用本专利技术制备方法制备孔径1～5nm的纳米结构的碳包覆二元金属氧化物负载石墨烯复合材料时，采用羰基铁和羰基锰为前驱体。用本专利技术制备方法制备孔径1～5nm的纳米结构的碳包覆三元金属氧化物负载石墨烯复合材料时，采用羰基铁、羰基锰和羰基钴为前驱体。用本专利技术制备方法制备其它碳包覆金属氧化物负载石墨烯复合材料时，采用羰基钼、羰基钨、羰基钌为前驱体。本专利技术制备方法是将氧化石墨烯超声分散于氮-氮二甲基甲酰胺中形成氧化石墨烯悬浮液，再加入羰基金属和表面活性剂辛胺，利用超声分散均匀，然后将混合溶液进行溶剂热反应，得到均匀负载金属氧化物纳米颗粒的石墨烯，通过调节羰基金属的种类成功得到单元和多元金属氧化物纳米点负载石墨烯复合材料；通过加入碳源葡萄糖继续进行二次溶剂热反应，所得产物利用乙醇和蒸馏水洗涤后，冷冻干燥，即得性能更加优异的碳包覆金属氧化物负载石墨烯复合材料。该制备方法简单、易于操作，适用于工业化生产，具有良好的市场应用前景。附图说明图1为本专利技术制备的氧化石墨烯纳米材料的表征图，其中a,b为扫面电子显微镜图；c,d为透射电子显微镜图。图2为实施例1中制备的亚纳米（<1nm）结构的单元钴金属氧化物负载石墨烯复合材料的表征图。图3为实施例2中制备的纳米（~1nm）结构的单元镍金属氧化物负载石墨烯复合材料的表征图。图4为本专利技术实施例3中制备的纳米（~4nm）结构的单元铁金属氧化物负载石墨烯复合材料的表征图。图5为本专利技术实施例4中制备的纳米（~4.5nm）结构的单元锰金属氧化物负载石墨烯复合材料的表征图。图6为本专利技术实施例5中制备的纳米（~5nm）结构的二元锰铁金属氧化物负载石墨烯复合材料的表征图。图7为本专利技术实施例5中制备的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳包覆金属氧化物纳米点负载石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法具体为：1）氧化石墨烯粉末加入氮‑氮二甲基甲酰胺中，超声分散2小时，配成质量体积浓度为0.5～5g/L的氧化石墨烯悬浮液；2）取质量为步骤1）中所取氧化石墨烯粉末质量50%的固体羰基金属；取辛胺，所取辛胺与步骤1）制得的氧化石墨烯悬浮液的体积比为0.001～0.05︰1；将固体羰基金属和辛胺同时分散于氮‑氮二甲基甲酰胺中，得质量体积浓度为1g/L的第一分散液；按体积比0.5︰1，分别取第一分散液和步骤1）中制得的石墨烯悬浮液，混合均匀，170℃温度下溶剂热2小时，制得金属氧化物纳米点负载石墨烯；或者，将液体羰基金属分散于氮‑氮二甲基甲酰胺中，制得质量体积浓度为5g/L的第二分散液，按体积比1︰10，分别取第二分散液和步骤1）制得的石墨烯悬浮液，混合均匀，170℃温度下溶剂热2小时，制得金属氧化物纳米点负载石墨烯；或者，取质量为步骤1）中所取氧化石墨烯粉末质量50%的固体羰基金属；取辛胺，所取辛胺与步骤1）制得的氧化石墨烯悬浮液配的体积比为0.001～005︰1；将该固体羰基金属和辛胺同时分散于氮‑氮二甲基甲酰胺中，制得质量体积浓度为1g/L的第三分散液；将液体羰基金属分散于氮‑氮二甲基甲酰胺中配成质量体积浓度为5g/L的第四分散液；按体积比1︰4︰10，分别取第四分散液、第三分散液和步骤1）中制得的石墨烯悬浮液，混合均匀， 100～200℃温度下溶剂热1～3小时，制得金属氧化物纳米点负载石墨烯；或者，取两种质量分别为步骤1）中所取氧化石墨烯粉末质量50%的固体羰基金属；取辛胺，所取辛胺与步骤1）制得的氧化石墨烯悬浮液配的体积比为0.001～005︰1；将辛胺和该两种固体羰基金属同时分散于氮‑氮二甲基甲酰胺中，制得质量体积浓度为1g/L的第五分散液；将液体羰基金属分散于氮‑氮二甲基甲酰胺中配置成质量体积浓度为5g/L的第六分散液；按体积比1︰4︰10，分别取第六分散液、第五分散液和步骤1）中制得的石墨烯悬浮液，混合均匀， 100～200℃温度下溶剂热1～3小时，制得金属氧化物纳米点负载石墨烯；固体羰基金属采用羰基锰、羰基钴、羰基钼、羰基钨在的一种或者两种，当采用其中的两种时，该两种的质量相同；液体羰基金属采用羰基铁或者羰基镍；3）取质量与步骤1）中所取氧化石墨烯粉末质量相同的葡萄糖，将葡萄糖加入步骤2）制得的金属氧化物纳米点负载石墨烯中，混合均匀，100～200℃温度下溶剂热6小时，用无水乙醇和蒸馏水依次离心洗涤产物，冷冻干燥，制得碳包覆金属氧化物负载石墨烯复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆金属氧化物纳米点负载石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法具体为：1）氧化石墨烯粉末加入氮-氮二甲基甲酰胺中，超声分散2小时，配成质量体积浓度为0.5～5g/L的氧化石墨烯悬浮液；2）取质量为步骤1）中所取氧化石墨烯粉末质量50%的固体羰基金属；取辛胺，所取辛胺与步骤1）制得的氧化石墨烯悬浮液的体积比为0.001～0.05︰1；将固体羰基金属和辛胺同时分散于氮-氮二甲基甲酰胺中，得质量体积浓度为1g/L的第一分散液；按体积比0.5︰1，分别取第一分散液和步骤1）中制得的石墨烯悬浮液，混合均匀，170℃温度下溶剂热2小时，制得金属氧化物纳米点负载石墨烯；或者，将液体羰基金属分散于氮-氮二甲基甲酰胺中，制得质量体积浓度为5g/L的第二分散液，按体积比1︰10，分别取第二分散液和步骤1）制得的石墨烯悬浮液，混合均匀，170℃温度下溶剂热2小时，制得金属氧化物纳米点负载石墨烯；或者，取质量为步骤1）中所取氧化石墨烯粉末质量50%的固体羰基金属；取辛胺，所取辛胺与步骤1）制得的氧化石墨烯悬浮液配的体积比为0.001～005︰1；将该固体羰基金属和辛胺同时分散于氮-氮二甲基甲酰胺中，制得质量体积浓度为1g/L的第三分散液；将液体羰基金属分散于氮-氮二甲基甲酰胺中配成质量体积浓度为5g/L的第四分散液；按体积比1︰4︰10，分别取第四分散液、第三分散液和步骤1）中制得的石墨烯悬浮液，混合均匀，100～200℃温度下溶剂热1～3小时，制得金属氧化物纳米点负载石墨烯；或者，取两种质量分别为步骤1）中所取氧化石墨烯粉末质量50%的固体羰基金属；取辛胺，所取辛胺与步骤1）制得的氧化石墨烯悬浮液配的体积比为0.001～005︰1；将辛胺和该两种固体羰基金属同时分散于氮-氮二甲基甲酰胺中，制得质量体积浓度为1g/...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎兴斌，苏利军，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62