對苯二胺共價鍵功能化石墨烯支撐鐵酸鎳納米粒子的復合材料的應用制造技術

本發明專利技術公開了一種對苯二胺共價鍵功能化石墨烯支撐鐵酸鎳納米粒子的復合材料的應用，所述的復合材料是由鐵酸鎳納米粒子負載在對苯二胺共價鍵功能化石墨烯上得到，其負載量為60?80%。本發明專利技術采用對苯二胺誘導的三維有序石墨烯為基底碳材料，對苯二胺的加入使得還原氧化石墨烯表面潤濕性增加，同時對苯二胺與氧化石墨實現共價耦合，從而使得片層之間的穩定性增加，形成三維有序石墨烯的穩定結構，同時，縱向層間導電性增加有利于鋰離子的傳導擴散；此外，負載理論容量較高的鐵酸鎳納米粒子，一方面由于納米粒子的良好分散改善了復合材料的電化學性能，另一方面納米粒子與功能化還原氧化石墨烯之間的協同作用，使得復合材料的儲鋰性能和倍率性能得到提高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種對苯二胺共價鍵功能化石墨烯支撐鐵酸鎳納米粒子的復合材料的應用，屬于納米材料應用領域。
技術介紹
隨著傳統化石燃料的急劇消耗，新型可持續能源的開發和利用成為研究的重點，其中作為能量儲存和轉換裝置的鋰離子電池也隨之備受關注。傳統的鋰離子電池負極材料一直是商用石墨，但是隨著混合動力汽車，電動汽車等大功率器件應用發展，傳統商用石墨已無法滿足現今鋰離子電極材料的要求。石墨烯憑借其優異的電化學性能受到重視，同時為了進一步提高其在鋰離子電池中的應用性，負載尖晶石型氧化物等具有高比容量的納米粒子制備復合材料都對性能的提高起到了重要作用。Li等人制備利用水熱反應制備超輕三維石墨烯材料，Zeng等人利用油浴法制備合成了尖晶石氧化物/石墨烯納米復合材料，應用于鋰離子電池負極材料，表現出良好的的儲鋰性能[ZengG,ShiN,HessM,etal.Ageneralmethodoffabricatingflexiblespinel-typeoxide/reducedgrapheneoxidenanocompositeaerogelsasadvancedanodesforlithium-ionbatteries[J].ACSnano,2015,9(4):4227-4235.]。Shanmugharaj等人利用鏈狀有機胺制備氨基功能化氧化石墨，用于改善氧化石墨的表面潤濕性[ShanmugharajAM,YoonJH,YangWJ,etal.Synthesis,characterization,andsurfacewettabilitypropertiesofaminefunctionalizedgrapheneoxidefilmswithvaryingaminechainlengths[J].Journalofcolloidandinterfacescience,2013,401:148-154.]。但是，由于三維結構在一定空間方向上會阻礙鋰離子的傳導擴散，將尖晶石型鐵酸鎳納米粒子負載在對苯二胺共價鍵功能化石墨烯上，應用于鋰離子電池負極材料，由于對苯二胺的共價功能化，結構更為穩定，同時使得石墨烯片層間距增大，縱向層間導電性提高，促進了充放電過程中鋰離子的傳導擴散，更加有利于其電化學性能的提高，具有較好的應用前景。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種對苯二胺共價鍵功能化石墨烯支撐鐵酸鎳納米粒子的復合材料作為鋰離子電池負極材料的應用。實現本專利技術目的的解決方案為：一種對苯二胺共價鍵功能化石墨烯支撐鐵酸鎳納米粒子的復合材料作為鋰離子電池負極材料的應用。其中，所述的復合材料是由鐵酸鎳納米粒子負載在對苯二胺共價鍵功能化石墨烯上得到，其負載量為60-80%。上述對苯二胺共價鍵功能化石墨烯/鐵酸鎳納米粒子的復合材料采用以下步驟制得：第一步，將氧化石墨超聲分散在乙醇溶液中；第二步，逐滴加入對苯二胺的乙醇溶液，其中，氧化石墨與對苯二胺的摩爾比為1:1~1:10，攪拌下在80~100℃水浴中回流反應；第三步，配制金屬鐵、金屬鎳的鹽溶液，加入第二步的溶液中，攪拌；第四步，調節pH值至10±0.2，攪拌；第五步，將第四步所得溶液置于反應釜中，于180±10℃下水熱反應20-24h；第六步，洗滌，冷凍干燥，制備所述的復合材料。與現有技術相比，本專利技術優點在于：（1）利用對苯二胺對氧化石墨烯進行功能化修飾，對苯二胺與氧化石墨烯共價耦合，使得石墨烯片層形成有序層狀結構，結構更為穩定，并且層間導電性增加；（2）將鐵酸鎳納米粒子負載在功能化石墨烯表面，并將此納米復合材料用作鋰離子電池負極材料。附圖說明圖1是對苯二胺共價鍵功能化石墨烯/鐵酸鎳納米復合材料的透射電鏡圖（a圖為低倍，b圖為高分辨圖）。圖2是本專利技術實例4所制備的納米復合材料的掃面電鏡圖。圖3是本專利技術實例1所制備的納米復合材料的循環性能圖。具體實施方式本專利技術制備的功能化石墨烯/鐵酸鎳納米復合材料通過以下步驟制備：第一步，將氧化石墨超聲分散在乙醇溶液中；第二步，逐滴加入對苯二胺的乙醇溶液（氧化石墨與對苯二胺摩爾比比例從1:1~1:10），攪拌條件下水浴回流反應；第三步，配制硝酸鐵、硝酸鎳的鹽溶液（2:1），加入上述溶液中，攪拌；第四步，利用堿溶液調節溶液的PH值，攪拌；第五步，將上述所得溶液置于反應釜中，放于180℃烘箱中反應；第六步，將上述所得反應產物洗滌，冷凍干燥，制備得到功能化石墨烯/鐵酸鎳納米復合材料。將上述所制備的到納米復合材料的按照8:1:1的比例與乙炔黑以及PVDF（聚偏氟乙烯）混合研磨，再加入適量的NMP（1-甲基-2-吡咯烷酮），所得到的混合漿料攪拌24h使其混合分散均勻，將得到的漿料均勻涂敷在銅箔上，烘干，以鋰片為對電極，制作成鋰離子電池。實施實例1：第一步，將80mg氧化石墨超聲1.5h分散在乙醇溶液中；第二步，逐滴加入160mg對苯二胺的乙醇溶液，攪拌條件下在水浴中回流；第三步，將0.291g硝酸鐵和0.811g硝酸鎳溶解在乙醇溶液中，加入到上述溶液中，攪拌；第四步，利用NaOH調節溶液的PH值為10±0.2，攪拌；第五步，將上述所得溶液置于反應釜中，放于180℃烘箱中反應20h；第六步，將上述所得反應產物洗滌，冷凍干燥，制備得到對苯二胺共價鍵功能化石墨烯/鐵酸鎳納米復合材料，其透射電子顯微鏡如圖1所示。將所制得的復合材料組裝成鋰離子電池，并對其進行恒流充放電性能測試，其充放電曲線和循環性能圖如圖2所示。其具有優異的電化學性能，可逆充放電容量為950mAhg-1，遠高于商用的石墨的理論容量（372mAhg-1）。同時，具有良好的庫倫效率，均保持在95%以上。實施實例2：第一步，將60mg氧化石墨超聲1.5h分散在乙醇溶液中；第二步，逐滴加入120mg對苯二胺的乙醇溶液，攪拌條件下在水浴中回流；第三步，將0.291g硝酸鐵和0.811g硝酸鎳溶解在乙醇溶液中，加入到上述溶液中，攪拌；第四步，利用NaOH調節溶液的PH值為10±0.2，攪拌；第五步，將上述所得溶液置于反應釜中，放于180℃烘箱中反應20h；第六步，將上述所得反應產物洗滌，冷凍干燥，制備得到對苯二胺共價鍵功能化石墨烯/鐵酸鎳納米復合材料；將所制得的復合材料組裝成鋰離子電池，并對其進行恒流充放電性能測試，其充放電曲線和循環性能如圖3(a)所示，在充放電50圈后其性能依舊有630mAhg-1，比傳統的商用石墨的理論容量（372mAhg-1）依舊高出許多，但相比較實例一其性能有所下降。實施實例3：第一步，將120mg氧化石墨超聲1.5h分散在乙醇溶液中；第二步，逐滴加入240mg對苯二胺的乙醇溶液，攪拌條件下在水浴中回流；第三步，將0.291g硝酸鐵和0.811g硝酸鎳溶解在乙醇溶液中，加入到上述溶液中，攪拌；第四步，利用NaOH調節溶液的PH值為10±0.2，攪拌；第五步，將上述所得溶液置于反應釜中，放于180℃烘箱中反應20h；第六步，將上述所得反應產物洗滌，冷凍干燥，制備得到對苯二胺共價鍵功能化石墨烯/鐵酸鎳納米復合材料；將所制得的復合材料組裝成鋰離子電池，并對其進行恒流充放電性能測試，其充放電曲線和循環性能如圖3(b)所示，從圖中可以看出其具有有較好的循環穩定性，可逆循環容量為7本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種對苯二胺共價鍵功能化石墨烯支撐鐵酸鎳納米粒子的復合材料作為鋰離子電池負極材料的應用。

【技術特征摘要】
1.一種對苯二胺共價鍵功能化石墨烯支撐鐵酸鎳納米粒子的復合材料作為鋰離子電池負極材料的應用。2.如權利要求1所述的應用，其特征在于，所述的復合材料是由鐵酸鎳納米粒子負載在對苯二胺共價鍵功能化石墨烯上得到，其負載量為60-80%。3.如權利要求1所述的應用，其特征在于，所述的復合材料采用以下步驟制得：第一步，將氧化石墨超聲分散在乙醇溶液中；第二...

【專利技術屬性】
技術研發人員：付永勝，趙先敏，汪信，朱俊武，王佳瑜，卞凱麗，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32