过渡金属与石墨烯的复合纳米线及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种过渡金属与石墨烯的复合纳米线及其制备方法，其中所述过渡金属选自Co和Cu中的一种或两种，并且所述复合纳米线的直径在100nm至300nm之间，其中所述复合纳米线可通过将氧化石墨(GO)溶液与相应过渡金属的可溶性盐溶液的混合溶液进行电纺丝接着进行在还原性气氛中煅烧获得。本发明专利技术的复合纳米线在催化、锂离子电池、超级电容器和气敏传感等方面具有优异性能，同时具有优异的储能性能，可用于储能应用如用于锂离子电池。

【技术实现步骤摘要】
过渡金属与石墨烯的复合纳米线及其制备方法
本专利技术属于纳米材料
，尤其涉及过渡金属与石墨烯的复合纳米线材料，以及它们的制备方法。
技术介绍
近年来，过渡金属及其复合物由于其在催化、锂离子电池、超级电容器和气敏传感等各方面的优异性能受到了广泛的关注(Sen,U.K.etal.ACSAppl.Mater.Interfaces2014,6,14311-14319；Ping,H.etal.NanoLett.,2016,16,1523-1529；Ksenia,F.etal.ACSNano,2015,9,5180-5188；Dae,J.Y.etal.Adv.Funct.Mater.2010,20,4258-4264)。在催化方面，Co以及Co氧化物和Cu以及Cu氧化物表现出优异的性质。Wang等合成了由单质钴、氧化钴和氮掺杂的碳构成的杂化催化剂CoOx@CN，此催化剂在电催化OER时仅需要0.26V的过电位即可达到10mAcm-2的催化电流响应，其催化性能超过了其他很多非贵金属催化剂[JinHYetal.J.Am.Chem.Soc.,2015,137:2688-2694.]。而且，这种材料还有着优异的电催化析氢活性，分别用此材料作为阴阳极电催化剂用于碱性电解池，在1.55V的电压下得到了20mAcm-2的电流密度，这为发展电解水双功能催化剂提供了重要的参考价值。此外，纳米铜催化剂以其廉价易得、催化性能优异的特点而被广泛研究。纳米铜催化剂的催化性能主要受催化剂组成、制备方法、催化剂比表面积、孔结构等因数的控制，在有机合成中有重要应用。其中，纳米铜催化剂在氢解反应、加氢反应及脱氢反应中表现出优异的催化性能，引起了研究者们的广泛关注。本领域仍然需要在催化、锂离子电池、超级电容器和气敏传感等方面具有优异性能的复合纳米线材料。
技术实现思路
本专利技术的专利技术人经过广泛研究发现，通过静电纺丝法制得了过渡金属(Co和/或Cu)与石墨烯的复合纳米线，由此大大地提高了该复合纳米线材料的导电性、机械性能等。在一方面，本专利技术涉及一种过渡金属与石墨烯的复合纳米线，其中所述过渡金属选自Co和Cu中的一种或两种，并且所述复合纳米线的直径在100nm至300nm之间。在另一方面，本专利技术提供一种用于制备过渡金属与石墨烯的复合纳米线的方法，其中所述过渡金属选自Co和Cu中的一种或两种，并且所述复合纳米线的直径在100nm至300nm之间，所述方法包括以下步骤：(1)提供0.5-2mg/ml的氧化石墨的C1-C4醇溶液；(2)向步骤(1)中的溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮并搅拌以得到混合溶液；(3)向步骤(2)中得到的混合溶液中加入钴和/或铜的可溶性盐，并搅拌以形成电纺溶液；(4)将步骤(3)中得到的电纺溶液通过使用静电纺丝装置进行静电纺丝来形成纳米线；(5)将步骤(4)中得到的纳米线烘干以除去残余溶剂和水分；(6)将步骤(5)中得到的纳米线在还原性气氛中进行煅烧，得到所述过渡金属与石墨烯的复合纳米线。在优选实施方案中，在步骤(1)中，提供0.8-1.5mg/ml的氧化石墨的C1-C4醇溶液。在优选实施方案中，在步骤(2)中，首先将步骤(1)中的溶液进行离心处理以得到上清液，然后向所述上清夜中加入聚乙烯吡咯烷酮并搅拌而得到所述混合溶液。在优选实施方案中，在步骤(3)中，使用的钴的可溶性盐是四水合乙酸钴，使用的铜的可溶性盐是一水合乙酸铜。在优选实施方案中，在步骤(4)中，所述电纺装置的注射器容积为1～20ml，并且注射器针头的型号为12至25G，并且所述静电纺丝装置使用高压直流电源，其中连接所述针头的正压为5至15kV并且连接静电纺丝装置的接收板的负压为-5～-1kV。在优选实施方案中，所述针头与所述接收板之间的距离为10至20cm。在优选实施方案中，所述步骤(6)中的还原性气氛为惰性气体与氢气的混合气氛，并且所述煅烧在300至650℃的温度进行。在优选实施方案中，在步骤(5)中，所述烘干在50-100℃下进行烘烤5-15h。在优选实施方案中，在所述煅烧中，升温速率为1-30℃/分钟。本专利技术的复合纳米线在催化、锂离子电池、超级电容器和气敏传感等方面具有优异性能，同时具有优异的储能性能，可用于储能应用如用于锂离子电池。所述复合纳米线可通过将氧化石墨(GO)溶液与相应过渡金属的可溶性盐溶液的混合溶液进行电纺丝接着进行在还原性气氛中煅烧获得，工艺简单，易规模化生产。附图说明图1是根据本专利技术制备的过渡金属Co与石墨烯的复合纳米线的SEM照片。具体实施方式本专利技术涉及一种过渡金属与石墨烯的复合纳米线，其中所述过渡金属选自Co和Cu中的一种或两种，并且所述复合纳米线的直径在100nm至300nm之间。本专利技术还涉及一种用于制备过渡金属与石墨烯的复合纳米线的方法，其中所述过渡金属选自Co和Cu中的一种或两种，并且所述复合纳米线的直径在100nm至300nm之间，所述方法包括以下步骤：(1)提供0.5-2mg/ml的氧化石墨(GO)的C1-C4醇溶液；(2)向步骤(1)中的溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)并搅拌以得到混合溶液；(3)向步骤(2)中得到的混合溶液中加入钴和/或铜的可溶性盐，并搅拌以形成电纺溶液；(4)将步骤(3)中得到的电纺溶液通过使用静电纺丝装置进行静电纺丝来形成纳米线；(5)将步骤(4)中得到的纳米线烘干以除去残余溶剂和水分；(6)将步骤(5)中得到的纳米线在还原性气氛中进行煅烧，得到所述过渡金属与石墨烯的复合纳米线。优选地，步骤(1)中，提供的氧化石墨的C1-C4醇溶液的浓度为0.8至2mg/ml，更优选为0.8至1.5mg/ml。在本专利技术中，使用的氧化石墨原料可以为通过商购可获得的氧化石墨溶液，例如从第六元素公司购得的浓度为5mg/ml的GO水溶液。优选地，在步骤(2)中，首先将步骤(1)中的溶液进行离心处理以得到上清液，然后向所述上清夜中加入聚乙烯吡咯烷酮并搅拌而得到所述混合溶液。更优选地，PVP与可溶盐例如Co(oAc)2·4H2O的质量比优选为3:1至1:3，更优选为2:1至1:3，最优选为2:1至1:2。本专利技术对于步骤(3)中使用的钴和/或铜的可溶性盐没有特别限制，只要是在所述体系中可溶的钴盐或铜盐即可，例如，钴的可溶性盐可以是四水合乙酸钴，铜的可溶性盐可以是一水合乙酸铜。本专利技术对于步骤(4)中使用的电纺装置没有特别限制，其可以为本领域技术人员熟知的可以进行静电纺丝的电纺装置。优选地，在步骤(4)中，使用的电纺装置的注射器的容积为1～20ml，并且注射器针头的型号为12至25G，更优选为16至25G，最优选为16至22G；所述静电纺丝装置使用高压直流电源，其中连接所述针头的正压为5至15kV，更优选为8至15kV，最优选为10至13kV；并且连接静电纺丝装置的接收板的负压为-5～-1kV。更优选地，所述针头与所述接收板之间的距离为10至20cm，更优选为10至18cm，最优选为14至18cm。优选地，所述步骤(6)中的还原性气氛为惰性气体与氢气的混合气氛，例如优选为Ar/H2，其体积比优选为95:5至90:10。更优选地，所述还原性气氛的气流大小为1sccm至100sccm，优选为20sccm-60sccm，更优选为40sccm-60本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种过渡金属与石墨烯的复合纳米线，其中所述过渡金属选自Co和Cu中的一种或两种，并且所述复合纳米线的直径在100nm至300nm之间。

【技术特征摘要】
1.一种过渡金属与石墨烯的复合纳米线，其中所述过渡金属选自Co和Cu中的一种或两种，并且所述复合纳米线的直径在100nm至300nm之间。2.一种用于制备过渡金属与石墨烯的复合纳米线的方法，其中所述过渡金属选自Co和Cu中的一种或两种，并且所述复合纳米线的直径在100nm至300nm之间，所述方法包括以下步骤：(1)提供0.5-2mg/ml的氧化石墨的C1-C4醇溶液；(2)向步骤(1)中的溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮并搅拌以得到混合溶液；(3)向步骤(2)中得到的混合溶液中加入钴和/或铜的可溶性盐，并搅拌以形成电纺溶液；(4)将步骤(3)中得到的电纺溶液通过使用静电纺丝装置进行静电纺丝来形成纳米线；(5)将步骤(4)中得到的纳米线烘干以除去残余溶剂和水分；(6)将步骤(5)中得到的纳米线在还原性气氛中进行煅烧，得到所述过渡金属与石墨烯的复合纳米线。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，提供0.8-1.5mg/ml的氧化石墨的C1-C4醇溶液。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：向斌，孙琪，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34