一种石墨烯/二氧化锰纳米复合材料及制备方法技术

一种石墨烯/二氧化锰纳米复合材料，使用自制的薄层石墨烯材料为还原剂，采回流冷凝方法在低温下将高锰酸钾还原获得的复合材料；其制备方法主要是以石墨纸为阳极，碳棒为阴极，浓硫酸（浓度98%）为电解液，进行氧化剥离，制备出石墨烯氧化物粉体；再将其制备成石墨烯材料，将高锰酸钾加入到石墨烯悬浮液中，经过加热、分离、洗涤、在真空下烘干。本发明专利技术工艺简单，成本低，采用本发明专利技术获得的复合材料呈多孔网络状，且晶粒尺寸较小，分布较均匀，中二氧化锰的含量为16～82%。同时表面的多孔网状结构使得质子的扩散系数更大，更容易进入活性物质内部，从而使该复合材料具有良好的电化学性能，导电性能优良，可适合作为超级电容器的电极材料使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电极材料。
技术介绍
石墨烯由于其独特的电学性质，使得其与半导体材料的复合成为一个热点研究课题。石墨烯是完全离散的单层碳材料，其整个表面可形成双电层，但是在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间互相杂乱叠加，会使得形成有效双电层的面积减少。因此，通过将半导体纳米材料与石墨烯复合，使其作为石墨烯的隔离物，将大大减小石墨烯片层之间的相互作用，同时石墨烯作为半导体纳米粒子的支撑材料，能够起到电子传递通道的作用，从而有效地提高半导体材料的电学性能。目前，制备石墨烯基纳米复合材料的方法有以下几种 (1)氧化石墨烯还原法将纳米粒子附着在氧化石墨烯片上，采用化学还原剂或是利用光的催化作用将氧化石墨烯还原成石墨烯，从而得到石墨烯基纳米复合材料。该方法成本低、产率高，但还原氧化石墨烯时石墨烯本征结构的恢复不理想，影响复合材料的导电性。(2)电沉积方法将石墨烯涂敷在导电集流体上作为电极，采用脉冲电流将金属氧化物纳米颗粒沉积在石墨烯表面。该法的优点是工艺参数易于控制，缺点是高介电绝缘性金属氧化物很难在未表面改性的石墨烯上沉积，只能在石墨烯边缘和缺陷处沉积。(3)微波法利用微波能量集中的特点，使纳米粒子迅速沉积在石墨烯表面。采用微波法的特点是时间短，工艺简单，但反应速度过快，操作过程不易控制，复合材料容易团聚长大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种易在石墨烯上沉积、反应速度易控制、晶粒尺寸较小、 分布较均勻且导电性能好的石墨烯/二氧化锰纳米复合材料及制备方法
本专利技术的石墨烯/ 二氧化锰纳米复合材料是一种平均厚度为lnm，片层宽度约为3 μ m, 二氧化锰在石墨烯片的两面均能成核生长，且为多孔网状结构的复合材料。上述复合材料的制备方法如下 一、石墨烯材料的制备1、石墨烯氧化物的制备以石墨纸为阳极，碳棒为阴极，浓硫酸(浓度98%)为电解液，在恒电流0. 2A下将石墨纸进行氧化剥离。剥离20 30h后，用蒸馏水将电解液稀释10倍，待溶液冷却到室温后采用 12000转/min的高速离心机分离并过滤。用蒸馏水充分洗涤过滤后的粉体至中性，在10 IOOPa真空下50 60° C烘干，即得到石墨烯氧化物粉体。2、石墨烯材料的制备将石墨烯氧化物粉体按1 :1的重量比加入到蒸馏水中，用氨水调节其PH为9 10。 在功率为150W下超声1 3h，以获得稳定的氧化石墨烯悬浮液。在悬浮液中滴加水合胼， 其加入量按每毫克石墨烯氧化物粉体加入0.01 0.02毫升。用75 85°C恒温水浴加热 6 12h，将反应物洗涤至中性，在10 100 真空下50 60° C烘干，即得到薄层石墨烯3材料。二、石墨烯/ 二氧化锰纳米复合材料的制备按高锰酸钾薄层石墨烯=0. 1 1. 0 0. 12 0. 225 (重量比)，将的高锰酸钾加入到石墨烯悬浮液中，该石墨烯悬浮液是用蒸馏水按0. 8 1. 5mg/mL的浓度将上述薄层石墨烯材料稀释而成(反应过程中石墨烯是过量的)，超声分散30min后，将混合液装入烧瓶。采用回流冷凝方法在温度为95° C 105° C下加热4h 20h，将悬浊液在4000转/min下离心分离，并将沉淀物用蒸馏水洗涤，直至滤液中检测不到K离子的存在。最后将沉淀物在10 IOOPa真空下50 60° C烘干，即得到二氧化锰含量为16 82%的石墨烯/ 二氧化锰纳米复合材料。本专利技术与现有技术相比具有如下优点1、采用本专利技术获得的石墨烯/ 二氧化锰纳米复合材料呈多孔网络状，且晶粒尺寸较小，分布较均勻，二氧化锰的含量为16 82%。2、表面的多孔网状结构使得质子的扩散系数更大，更容易进入活性物质内部，从而使该复合材料具有良好的电化学性能，导电性能优良，适合作为超级电容器的电极材料使用。3、工艺简单，反应速度易于操控。 附图说明图1是本专利技术获得的石墨烯/ 二氧化锰纳米复合材料的表面扫描电镜图； 图2是本专利技术获得的石墨烯/二氧化锰纳米复合材料的透射电镜图。具体实施例方式实施例1以石墨纸为阳极，碳棒为阴极，200mL的浓硫酸(浓度98%)为电解液，在恒电流0. 2A下将石墨纸进行氧化剥离。剥离20h后，加入2L的蒸馏水将电解液稀释，待溶液冷却到室温后采用12000转/min的高速离心机分离并过滤。用蒸馏水充分洗涤过滤后的粉体至中性， 在100 真空下50° C烘干，得到石墨烯氧化物粉体。将上述IOOmg石墨烯氧化物粉体加入到IOOmL蒸馏水中，用氨水调节其pH为9。在功率为150W下超声lh，获得稳定的氧化石墨烯悬浮液。在悬浮液中滴加ImL水合胼，75° C恒温水浴加热12h，将反应物洗涤至中性，在 IOOPa真空下50° C烘干，即得到薄层石墨烯材料。称取0. Ig高锰酸钾加入到浓度为1. 5mg/mL的石墨烯悬浮液150mL中，超声分散 30min后，将混合液装入烧瓶，在温度为95° C下加热20h，将悬浊液在4000转/min下离心分离，并将沉淀物用蒸馏水洗涤8次，最后将沉淀物在100 真空下50° C烘干，即得到二氧化锰含量为16%的石墨烯/ 二氧化锰纳米复合材料。实施例2以石墨纸为阳极，碳棒为阴极，200mL的浓硫酸(浓度98%)为电解液，在恒电流0. 2A下将石墨纸进行氧化剥离。剥离24h后，加入2L的蒸馏水将电解液稀释，待溶液冷却到室温后采用12000转/min的高速离心机分离并过滤。用蒸馏水充分洗涤过滤后的粉体至中性， 在50 真空下55° C烘干，得到石墨烯氧化物粉体。将上述IOOmg石墨烯氧化物粉体加入到IOOmL蒸馏水中，用氨水调节其pH为10。在功率为150W下超声2h，获得稳定的氧化石墨烯悬浮液。在悬浮液中滴加1. 5mL水合胼，80° C恒温水浴加热9h，将反应物洗涤至中性，在 50Pa真空下55° C烘干，即得到薄层石墨烯材料。称取0. 5g高锰酸钾加入到浓度为0. Smg/ mL的石墨烯悬浮液150mL中，超声分散30min后，将混合液装入烧瓶，在温度为100° C下加热12h，将悬浊液在4000转/min下离心分离，并将沉淀物用蒸馏水洗涤9次，最后将沉淀物在50 真空下55° C烘干，即得到二氧化锰含量为69%的石墨烯/ 二氧化锰纳米复合材料。实施例3以石墨纸为阳极，碳棒为阴极，200mL的浓硫酸(浓度98%)为电解液，在恒电流0. 2A下将石墨纸进行氧化剥离。剥离30h后，加入2L蒸馏水将电解液稀释，待溶液冷却到室温后采用12000转/min的高速离心机分离并过滤。用蒸馏水充分洗涤过滤后的粉体至中性，在 IOPa真空下60° C烘干，得到石墨烯氧化物粉体。将上述IOOmg石墨烯氧化物粉体加入到 IOOmL蒸馏水中，用氨水调节其pH为9。在功率为150W下超声池，获得稳定的氧化石墨烯悬浮液。在悬浮液中滴加2mL水合胼，85° C恒温水浴加热他，将反应物洗涤至中性，在10 真空下60° C烘干，即得到薄层石墨烯材料。称取1. Og高锰酸钾加入到浓度为1. 5mg/mL的石墨烯悬浮液150mL中，超声分散30min后，将混合液装入烧瓶，在温度为105° C下加热4h， 将悬浊液在4000转/min下离心分离，并将沉淀物用蒸馏水洗涤8次，最后将沉淀物在10 真空下60° C烘干，即得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种石墨烯／二氧化锰纳米复合材料，其特征在于：该复合材料是一种平均厚度为１ｎｍ，片层宽度约为３μｍ，二氧化锰在石墨烯片的两面均能成核生长，且为多孔网状结构的复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡婕，黄浩，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：13