NbOPO4纳米片/rGO复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及NbOPO4纳米片/rGO复合材料及其制备方法，其可作为锂离子电池负极活性材料应用于电化学储能，其以石墨烯作为基底，NbOPO4纳米片紧密均匀分散在石墨烯片上，所述NbOPO4纳米片/rGO复合材料的片状结构的厚度为30‑50nm，其中NbOPO4纳米片的尺寸为～1μm。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术通过构筑NbOPO4纳米片/rGO复合材料，有效改善NbOPO4纳米片自身团聚问题，提高材料导电性。将NbOPO4纳米片/rGO复合材料应用到锂离子电池负极材料中表现出优异的循环稳定性，同时在大电流密度下具有较好的倍率性能。

NbOPO4 nanosheet/rGO composites and their preparation methods and Applications

The present invention relates to NbOPO4 nanosheet/rGO composite material and its preparation method. It can be used as a negative active material for lithium ion batteries for electrochemical energy storage. The NbOPO4 nanosheet is compactly and uniformly dispersed on graphene sheet. The thickness of the sheet structure of the NbOPO4 nanosheet/rGO composite is 30 50 nm, and the size of the NbOPO4 nanosheet is between 1 micron. The beneficial effect of the invention is that by constructing NbOPO4 nanosheet/rGO composite material, the agglomeration problem of NbOPO4 nanosheet is effectively improved and the conductivity of the material is improved. The application of NbOPO4 nano-sheet/rGO composite material in lithium-ion battery anode materials shows excellent cyclic stability and good rate performance at high current density.

【技术实现步骤摘要】
NbOPO4纳米片/rGO复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料和电化学储能
，具体涉及NbOPO4纳米片/rGO复合材料及其制备方法，其可作为锂离子电池负极活性材料应用于电化学储能。
技术介绍
锂离子电池技术的发展为传统化石燃料带来的能源危机和环境污染问题提供了新的解决方法，为发展清洁能源提供了新的策略。虽然以锂离子电池为能量存储设备已经被广泛应用，例如便携式计算机，智能手机，电动车等，但目前商业锂离子电池负极石墨材料具有较低的理论容量(372mAhg-1)，约束了其在大规模储能领域方面的长远应用。近年来，研究者发现通过采用纳米技术构筑纳米结构的电极材料，相比块状微米级电极材料，可以更迅速和更充分吸收和释放锂离子，促进活性物质的充分反应，提升能量密度和功率密度。因此，目前科研工作者已经有效地构筑了许多纳米材料和纳米结构作为锂离子电池电极材料，相比块状材料具有更加优异的电化学性能。研究表明，MOPO4(M＝V，Nb，Mo，Ti)类化合物具有适合锂离子脱嵌的开放二维或三维结构，同时聚阴离子PO43-具有较强的电负性，可以为锂离子脱嵌提供稳定的3D框架结构，缓解了充放电过程中材料体积不可逆改变，是具有应用潜力的锂离子电池负极活性材料。然而目前关于NbOPO4纳米片结构的制备方法和在锂离子电池的应用还未有报道。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有的技术问题提供一种NbOPO4纳米片/rGO复合材料及其制备方法，该制备方法工艺简单，符合绿色化学要求，得到的NbOPO4纳米片/rGO复合材料作为锂离子电池负极活性材料，具有优异的循环性能和倍率性能。本专利技术针对上述技术问题采用的技术方案为：NbOPO4纳米片/rGO复合材料，其以石墨烯作为基底，NbOPO4纳米片紧密均匀分散在石墨烯片上，所述NbOPO4纳米片/rGO复合材料的片状结构的厚度为30-50nm，其中NbOPO4纳米片的尺寸为～1μm。所述的NbOPO4纳米片/rGO复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)称取铌盐溶于有机溶剂中，搅拌后，加入磷酸溶液，继续搅拌均匀；2)向步骤1)得到的溶液中加入以Hummers法制备的石墨烯分散液，搅拌均匀；3)将步骤2)所得的混合溶液转移到反应容器中，加热，取出自然冷却到室温；4)将步骤3)所得的沉淀洗涤，冷冻干燥；5)将步骤4)所得的干燥产物煅烧，得到NbOPO4纳米片/rGO复合材料。按上述方案，所述有机溶剂溶剂为25-30mL，所述石墨烯分散液为5-10mL，所述的磷酸浓度为85wt.％，用量为1-2mL，所述的铌盐为0.1-0.2g。按上述方案，所述的铌盐为NbCl5，所述有机溶剂为乙醇溶液。按上述方案，步骤3)所述的加热温度为100-140℃，保温时间为15-20h。按上述方案，步骤4)所述洗涤是用去离子水洗涤三次。按上述方案，步骤5)所述煅烧的气氛为氩气，温度为700-850℃，升温速率为2-5℃min-1，保温时间为2-4h。所述的NbOPO4纳米片/rGO复合材料作为锂离子电池负极活性材料的应用。本专利技术采用水热-煅烧两步法，通过引入石墨烯基底，NbOPO4纳米片前驱体均匀分散地原位生长在石墨烯片上，避免了纳米片自身团聚，煅烧后得到的NbOPO4纳米片/rGO复合材料结构有效缩短了离子/电子传输距离，同时石墨烯不仅可以缓解充放电过程中的体积变化，而且有助于提高电子电导。因此，NbOPO4纳米片/rGO复合材料作为锂离子电池负极活性材料具有良好的循环性能和倍率性能，是一种具有发展潜力的锂离子电池负极活性材料。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过构筑NbOPO4纳米片/rGO复合材料，有效改善NbOPO4纳米片自身团聚问题，提高材料导电性。将NbOPO4纳米片/rGO复合材料应用到锂离子电池负极材料中表现出优异的循环稳定性，同时在大电流密度下具有较好的倍率性能。测试结果表明，在0.5Ag-1的电流密度下初始放电比容量为588.6mAhg-1，循环800圈后放电比容量为503.1mAhg-1，循环保持率为85％，倍率测试到8.0Ag-1大电流密度下放电比容量仍有308.4mAhg-1。本专利技术方法简单，可行性强，具备大规模生产能力，为锂离子电池负极活性物质的选择提供了一个潜在的候选者。附图说明图1为本专利技术实施例1中NbOPO4纳米片/rGO复合材料合成机理图；图2为本专利技术实施例1中NbOPO4纳米片/rGO复合材料XRD图；图3为本专利技术实施例1中NbOPO4纳米片/rGO复合材料SEM图(其中a图为水热得到产物SEM图，b为将水热得到产物800℃煅烧2h的SEM图)；图4为本专利技术实施例1中NbOPO4纳米片/rGO复合材料拉曼图谱；图5为本专利技术实施例1中NbOPO4纳米片/rGO复合材料TEM图；图6为本专利技术实施例1中NbOPO4纳米片/rGO复合材料在0.5Ag-1电流密度下电池循环性能图；图7为本专利技术实施例1中NbOPO4纳米片/rGO复合材料在0.1,0.2,0.5,1.0,2.0,5.0,8.0Ag-1电流密度下倍率性能图。具体实施例方式为了更好地理解本专利技术，下面结合具体实施例阐述本
技术实现思路
，但本
技术实现思路
并不仅仅局限于下面的实施例。实施例1：NbOPO4纳米片/rGO复合材料制备方法包括：1.Hummers法石墨烯分散液制备方法如下：1)将粒度325目的1g石墨粉与23mL浓硫酸在250mL锥形瓶中混合，室温下搅拌24h；2)在40℃水浴条件下，向步骤1)加入100mgNaNO3，并搅拌5min，使NaNO3充分溶解；3)向步骤2)缓慢加入500mgKMnO4(控制反应温度在45℃以下)，继续搅拌30min；4)向步骤3)中加入3mL蒸馏水，5min后再次加入3ml蒸馏水，待5min后再加入40mL蒸馏水，继续搅拌15min；5)向步骤4)中加入140mL蒸馏水及10mLH2O2(30wt.％)，在室温下搅拌5min，终止反应；6)使用高速离心机，转速10000转/min，时间设定3min，用HCI(5wt.％)溶液将步骤5)离心得到的沉淀洗涤两次后继续用蒸馏水洗涤至中性；7)将步骤6)所得到的沉淀物分散在装有100mL蒸馏水的锥形瓶中，以90Hz频率超声60min；8)将步骤7)得到的溶液使用高速离心机离心，转速5000转/min，时间设定5min，取上层清液后继续5000转/min，5min离心两次，得到石墨烯分散液，浓度为5mgmL-1。2.NbOPO4纳米片/rGO复合材料制备步骤：1)称取0.1gNbCl5溶于30mL乙醇溶液中，搅拌得到澄清透明溶液后，加入1mL磷酸(85wt.％)溶液，继续搅拌10min；2)向步骤1)得到的溶液中加入7.5mL以Hummers法制备的石墨烯分散液，继续搅拌10min；3)将步骤2)所得的混合溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中，在110℃烘箱中放置16h后，取出自然冷却到室温；4)将步骤3)得到的沉淀用去离子水洗涤三次后进行冷冻干燥；5)将步骤4)得到的干燥产物在管式炉中通入氩气气氛煅烧，煅烧温度为800℃，升温速率为5℃min-1，保温时间2h，得到NbOPO4纳米片/rGO复合材料。以本实施例中NbOPO4纳米片/rGO复合材料为例，本专利技术的合成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.NbOPO4纳米片/rGO复合材料，其以石墨烯作为基底，NbOPO4纳米片紧密均匀分散在石墨烯片上，所述NbOPO4纳米片/rGO复合材料的片状结构的厚度为30‑50nm，其中NbOPO4纳米片的尺寸为～1μm。

【技术特征摘要】
1.NbOPO4纳米片/rGO复合材料，其以石墨烯作为基底，NbOPO4纳米片紧密均匀分散在石墨烯片上，所述NbOPO4纳米片/rGO复合材料的片状结构的厚度为30-50nm，其中NbOPO4纳米片的尺寸为～1μm。2.权利要求1所述的NbOPO4纳米片/rGO复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)称取铌盐溶于有机溶剂中，搅拌后，加入磷酸溶液，继续搅拌均匀；2)向步骤1)得到的溶液中加入以Hummers法制备的石墨烯分散液，搅拌均匀；3)将步骤2)所得的混合溶液转移到反应容器中，加热，取出自然冷却到室温；4)将步骤3)所得的沉淀洗涤，冷冻干燥；5)将步骤4)所得的干燥产物煅烧，得到NbOPO4纳米片/rGO复合材料。3.按权利要求2所述的NbOPO4纳米片/rGO复合材料的制备方法，其特征在于所述有机溶剂溶剂为25-30mL，所述石墨烯分散...

【专利技术属性】
技术研发人员：李琪，温波，麦立强，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42