一种自支撑钒系石墨烯界面储锌材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种自支撑钒系石墨烯界面储锌材料及其制备方法与应用，涉及纳米材料与电化学技术领域，所述制备方法包括：将石墨烯、钒溶胶以及正丙醇混合，采用水热合成法得到二氧化钒石墨烯复合材料，再将所述二氧化钒石墨烯复合材料与碳纳米管混匀，粉碎，抽滤，得到自支撑钒系石墨烯界面储锌材料。本发明专利技术通过水热法结合抽滤，将二氧化钒亚纳米团簇和石墨烯复合，二氧化钒亚纳米团簇和石墨烯表面形成化学键连接，形成可逆嵌入锌离子的异质界面的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料；制备出的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料用作锌离子电池正极活性材料，表现出良好的电化学性能，倍率性能优，比容量高，循环稳定性高。

【技术实现步骤摘要】
一种自支撑钒系石墨烯界面储锌材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及纳米材料与电化学
，尤其是一种自支撑钒系石墨烯界面储锌材料及其制备方法与应用。
技术介绍
与锂离子电池常用的有机电解液相比，水系电解液具有更高的离子电导率、更加安全且生产成本更低廉等优势。金属锌的储量大以及无毒等特性，在水系电解液中表现出良好稳定性和高理论容量(820mAh·g-1)，并且Zn/Zn2+具有-0.76V的较低氧化还原电位(相对于可逆氢电极)，有利于构筑高电压平台电池。基于水系电解液开发出的锌离子二次电池，兼具高能量密度、安全性和低成本等优势，并有望成为未来大规模储能器件的发展方向。由于锌离子在正极材料中的脱嵌引起的宿主材料元素离子价态改变和电子转移决定了电池的容量大小，因此高性能正极材料的构筑对获得高效的电池系统尤为重要。碳基材料由于其良好的导电性、耐用性、环境友好与低成本等特点，已成为广泛商用的电极材料。但是目前大多数商用碳基电极循环性能差、比容量较低，这极大限制了高性能电池的发展。因此，亟待开发新的碳基正极材料以提高离子的利用率以及比容量和循环性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种利用异质界面可逆储存锌离子的二氧化钒石墨烯复合正极材料的制备方法，其制备过程操作简单，原料廉价易得，且所得材料用作锌离子电池正极活性材料表现出良好的电化学性能，可用于解决商用正极材料导电性差、比容量低等问题。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种自支撑钒系石墨烯界面储锌材料制备方法，包括：将石墨烯、钒溶胶以及正丙醇混合，采用水热合成法得到二氧化钒石墨烯复合材料，再将所述二氧化钒石墨烯复合材料与所述碳纳米管混匀，粉碎，抽滤，得到自支撑钒系石墨烯界面储锌材料。进一步地，所述将石墨烯、钒溶胶以及正丙醇混合，采用水热合成法得到二氧化钒石墨烯复合材料包括：将所述石墨烯与所述钒溶胶混合，加入至正丙醇溶液中得到混合溶液A，将所述混合溶液A超声处理第一时长，再水热第二时长，将得到的沉淀物洗涤，干燥，得到所述二氧化钒石墨烯复合材料。进一步地，所述水热的加热温度在170℃至190℃范围内，所述第二时长在11小时至13小时范围内。进一步地，所述混合溶液A中，所述石墨烯的含量在0.76mg/mL至1.29mg/mL范围内，所述钒溶胶的含量在4.49mg/mL至8.5mg/mL。进一步地，所述将所述二氧化钒石墨烯复合材料与所述碳纳米管混匀，粉碎，抽滤，得到自支撑钒系石墨烯界面储锌材料包括：将所述二氧化钒石墨烯复合材料与所述碳纳米管混合加入去离子水中，所述碳纳米管加入量与总体质量的质量比在28％至32％范围内，超声粉碎第三时长，抽滤至负载量达到1.9mg/cm2至2.5mg/cm2范围内，得到所述自支撑钒系石墨烯界面储锌材料。进一步地，所述石墨烯为还原氧化石墨烯。进一步地，所述还原氧化石墨烯的制备方法包括：将石墨粉加入浓硫酸中，室温搅拌第四时长，水浴加热，并加入硝酸钠，搅拌至所述硝酸钠完全溶解，得到混合溶液B；向所述混合溶液B中加入高锰酸钾，搅拌，再加入蒸馏水，搅拌，得到氧化石墨烯溶液；停止水浴加热，向所述氧化石墨烯溶液中加入蒸馏水与过氧化氢，得到混合溶液C；向所述混合溶液C中加入盐酸溶液进行洗涤，洗涤后加入蒸馏水洗至中性，沉淀物分散于蒸馏水，超声，去除沉淀物，取上清液为所述还原氧化石墨烯的溶液。进一步地，所述钒溶胶的制备方法包括：将五氧化二钒加热第五时长，得到熔融物，将所述熔融物加入蒸馏水中搅拌，冷却至室温，过滤得到所述钒溶胶。本专利技术的另一目的在于提供一种自支撑钒系石墨烯界面储锌材料，所述自支撑钒系石墨烯界面储锌材料由上述所述的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料制备方法制备而成。本专利技术的另一目的在于提供一种如上述所述的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料的应用，所述自支撑钒系石墨烯界面储锌材料用于锌离子电池正极活性材料。相对于现有技术，本专利技术提供的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料及其制备方法与应用具有以下优势：本专利技术通过水热法结合抽滤，将二氧化钒亚纳米团簇和石墨烯复合，二氧化钒亚纳米团簇和石墨烯表面形成化学键连接，形成可逆嵌入锌离子的异质界面的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料。制备出的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料用作锌离子电池正极活性材料，表现出良好的电化学性能，倍率性能优，比容量高，循环稳定性高，可用于解决锌离子电池正极材料导电性差、比容量低等问题，在100mA·g-1的电流密度下，该自支撑钒系石墨烯界面储锌材料具有超理论可逆充放电比容量(443mAh·g-1)。此外，该方法制备工艺与制备过程操作简单，原料廉价易得，能耗低，使得柔韧、无粘合剂与独立的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料可大规模生产。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一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例所述的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料制备方法流程图；图2是本专利技术实施例所述的还原氧化石墨烯材料制备流程图；图3是本专利技术实施例1制备出的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料的XRD图；图4是本专利技术实施例1制备出自支撑钒系石墨烯界面储锌材料截面的AC-STEM图；图5是本专利技术实施例1制备出自支撑钒系石墨烯界面储锌材料的XPS图及其对比；图6是本专利技术实施例1制备出自支撑钒系石墨烯界面储锌材料的Raman图及其对比；图7是本专利技术实施例1制备出自支撑钒系石墨烯界面储锌材料的原位Raman图；图8是本专利技术实施例1制备出自支撑钒系石墨烯界面储锌材料的循环图及其对比；图9是本专利技术实施例1制备出自支撑钒系石墨烯界面储锌材料的倍率图及其对比。具体实施方式以下结合具体实施方式对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语均属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，并不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。本专利技术提供一种自支撑钒系石墨烯界面储锌材料制备方法，结合图1所示，包括如下步骤：步骤S1、石墨烯、钒溶胶以及正丙醇混合，采用水热合成法得到二氧化钒石墨烯复合材料；步骤S2、将所述二氧化钒石墨烯复合材料与碳纳米管混匀，粉碎，抽滤，得到自支撑钒系石墨烯界面储锌材料。本实施例所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自支撑钒系石墨烯界面储锌材料制备方法，其特征在于，包括：将石墨烯、钒溶胶以及正丙醇混合，采用水热合成法得到二氧化钒石墨烯复合材料，再将所述二氧化钒石墨烯复合材料与碳纳米管混匀，粉碎，抽滤，得到自支撑钒系石墨烯界面储锌材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种自支撑钒系石墨烯界面储锌材料制备方法，其特征在于，包括：将石墨烯、钒溶胶以及正丙醇混合，采用水热合成法得到二氧化钒石墨烯复合材料，再将所述二氧化钒石墨烯复合材料与碳纳米管混匀，粉碎，抽滤，得到自支撑钒系石墨烯界面储锌材料。


2.根据权利要求1所述的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料制备方法，其特征在于，所述将石墨烯、钒溶胶以及正丙醇混合，采用水热合成法得到二氧化钒石墨烯复合材料包括：
将所述石墨烯与所述钒溶胶混合，加入至正丙醇溶液中得到混合溶液A，将所述混合溶液A超声处理第一时长，再水热第二时长，将得到的沉淀物洗涤，干燥，得到所述二氧化钒石墨烯复合材料。


3.根据权利要求2所述的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料制备方法，其特征在于，所述水热的加热温度在170℃至190℃范围内，所述第二时长在11小时至13小时范围内。


4.根据权利要求2所述的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料制备方法，其特征在于，所述混合溶液A中，所述石墨烯的含量在0.76mg/mL至1.29mg/mL范围内，所述钒溶胶的含量在4.49mg/mL至8.5mg/mL。


5.根据权利要求1所述的自支撑钒系石墨烯界面储锌材料制备方法，其特征在于，所述将所述二氧化钒石墨烯复合材料与所述碳纳米管混匀，粉碎，抽滤，得到自支撑钒系石墨烯界面储锌材料包括：
将所述二氧化钒石墨烯复合材料与所述碳纳米管混合加入去离子水中，所述碳纳米管加入量与总体质量的质量比在28％至32％范围内，超声粉碎第三时长，抽滤至负载量达...

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