四氧化三钴‑石墨烯纳米复合材料、其制备方法及用途技术

本发明专利技术实施例提供了四氧化三钴‑石墨烯纳米复合材料、其制备方法及用途，其中四氧化三钴生长于石墨烯基底上；所述四氧化三钴呈棒状，具有介孔结构。本发明专利技术以氧化石墨为原料，通过简单的水热‑煅烧方法合成了具有介孔结构的四氧化三钴纳米棒与石墨烯的复合材料，该复合材料兼具了四氧化三钴纳米棒与石墨烯的优点。制备方法简单易行，原料廉价易得，相对于其它制备方式，具有很好的经济前景。同时该复合材料作为有机体系Li‑O2电池正极催化剂有效的提升了电池的整体性能，有较高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
四氧化三钴-石墨烯纳米复合材料、其制备方法及用途
本专利技术涉及Li-O2电池
，特别是涉及四氧化三钴-石墨烯纳米复合材料、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。四氧化三钴(Co3O4)作为一种过渡金属氧化物，在Li-O2电池中已有报道，显示出了一定的活性，但由于颗粒尺寸、形貌、以及氧化物自身电子导电性等的限制，使其性能大打折扣。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种可以用作Li-O2电池正极催化剂的四氧化三钴-石墨烯纳米复合材料；并提供其制备方法及用途。具体技术方案如下：本专利技术首先提供了一种四氧化三钴-石墨烯纳米复合材料，其中四氧化三钴生长于石墨烯基底上；所述四氧化三钴呈棒状，具有介孔结构。优选地，所述四氧化三钴为立方尖晶石结构。优选地，所述四氧化三钴介孔的平均孔径为12-13nm。优选地，所述四氧化三钴的直径为40-80nm，长度为200-2000nm。优选地，所述四氧化三钴由四氧化三钴纳米颗粒堆积而成。本专利技术还提供了前述的四氧化三钴-石墨烯纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)、将氧化石墨加入到水中并分散；2)、加入二价钴盐、氟化铵和尿素，在90℃～120℃下，水热反应3～5小时；所述氧化石墨的质量与所述二价钴盐的物质的量的比值为30mg/mmol～60mg/mmol；二价钴盐、氟化铵和尿素的摩尔比为1：(0.25～1)：(1～2.5)；3)、反应结束后，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，优选为氩气中热处理40-60分钟；其中，热处理的温度为350℃～400℃。本专利技术还提供了前述的四氧化三钴-石墨烯纳米复合材料作为Li-O2电池正极催化剂的用途。本专利技术又提供了一种Li-O2电池正极，其中该Li-O2电池正极包括前述的四氧化三钴-石墨烯纳米复合材料。优选地，所述Li-O2电池正极还包括导电剂及黏结剂。本专利技术又提供了一种Li-O2电池，其包括前述的Li-O2电池正极。本专利技术以氧化石墨为原料，通过简单的水热-煅烧方法合成了具有介孔结构的四氧化三钴纳米棒与石墨烯的复合材料，该复合材料兼具了四氧化三钴纳米棒与石墨烯的优点。制备方法简单易行，原料廉价易得，相对于其它制备方式，具有很好的经济前景。同时该复合材料作为有机体系Li-O2电池正极催化剂有效的提升了电池的整体性能，有较高的实用价值。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为氧化石墨(GO)及实施例1制备的Co3O4/GN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Co3O4/GN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Co3O4/GN的氮气吸附脱附等温线图(插图为孔径分布图)；图4中(a)图和(b)图分别为本专利技术实施例1制备的Co3O4/GN不同放大倍数下的SEM(ScanningEelectronMicroscope，扫描电子显微镜)图；图5中(a)图为Co3O4/GN和Co3O4电极的首次恒流充放电全循环曲线。图5中(b)图为Co3O4/GN和Co3O4电极放电比容量随循环次数的变化图。具体实施方式本专利技术首先提供了一种四氧化三钴-石墨烯纳米复合材料，其中四氧化三钴生长于石墨烯基底上；所述四氧化三钴呈棒状，具有介孔结构。在一种具体的实施方案中，所述四氧化三钴为立方尖晶石结构。在一种具体的实施方案中，所述四氧化三钴介孔的平均孔径为12-13nm。在一种具体的实施方案中，所述四氧化三钴的直径为40-60nm，长度为200-2000nm。所述四氧化三钴的直径为40-60nm，长度为200-2000nm。四氧化三钴由四氧化三钴纳米颗粒堆积而成。本专利技术还提供了四氧化三钴-石墨烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、将氧化石墨加入到水中并分散；2)、加入二价钴盐、氟化铵和尿素，在90℃～120℃下，水热反应3～5小时；所述氧化石墨的质量与所述二价钴盐的物质的量的比值为30mg/mmol～60mg/mmol；二价钴盐、氟化铵和尿素的摩尔比为1：(0.25～1)：(1～2.5)；3)、反应结束后，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，优选为氩气中热处理40-60分钟；其中，热处理的温度为350℃～400℃。其中，上述氧化石墨是指一种由物质的量之比不定的碳、氢、氧元素构成的化合物。上述氧化石墨可以通过用强氧化剂氧化石墨制备获得，具体的，可以采用改进的Hummers方法制备获得(该方法记载于朱宏伟、徐志平、谢丹等著的工具书《石墨烯——结构、制备方法与性能表征》(清华大学出版社，2011年11月第1次印刷)的第32页第2段)。一种具体实施方案中，二价钴盐为Co(NO3)2·6H2O。所述分散可以为超声分散、机械搅拌分散等，优选的，所述分散为超声分散。在步骤2)水热反应后，会生成前驱体CoFOH，为了使前驱体分解得到产物Co3O4，将上述干燥后的固体在惰性气体中热处理40-60分钟；其中，热处理的温度为350℃～400℃，惰性气体优选氩气。可以理解的是，所述分离是指固液分离，实际应用中，可以采用离心分离，也可以采用过滤分离等。分离出固体后，洗涤并干燥该固体，优选的，可以采用水、乙醇交替洗涤，使四氧化三钴更加均匀的分散在石墨烯上，并于60℃真空干燥该固体。专利技术人通过实验发现，本专利技术提供的四氧化三钴-石墨烯纳米复合材料可以作为Li-O2电池中的正极催化剂，并基于此，本专利技术提供了一种L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四氧化三钴‑石墨烯纳米复合材料，其特征在于，四氧化三钴生长于石墨烯基底上；所述四氧化三钴呈棒状，具有介孔结构。

【技术特征摘要】
1.一种四氧化三钴-石墨烯纳米复合材料，其特征在于，四氧化三钴生长于石墨烯基底上；所述四氧化三钴呈棒状，具有介孔结构。2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述四氧化三钴为立方尖晶石结构。3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述四氧化三钴介孔的平均孔径为12-13nm。4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述四氧化三钴的直径为40-80nm，长度为200-2000nm。5.如权利要求1-4中任一项所述的复合材料，其特征在于，四氧化三钴由四氧化三钴纳米颗粒堆积而成。6.如权利要求1-5中任一项所述的四氧化三钴-石墨烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、将氧化石墨加入到水中并分散；2)、加入二价钴盐、氟化铵和尿素，在90℃～120℃下，水热...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙根班，袁萌伟，林柳，马淑兰，
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