无机非金属材料的制备及性能表征
作者 :  潘海龙

  摘要:无机非金属材料凭借高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等属性广泛的应用于工业领域。本文对石墨烯复合材料进行制备,分析其性能表征,旨在对石墨烯及其他无机非金属材料的应用有所帮助。
  关键词:无机非金属材料;石墨烯;制备;性能表征
  中图分类号: TB321 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2016)02(c)-0000-00
  无机非金属新材料具有耐高温、耐腐蚀、高强度、多功能等多种优越性能,是高技术产业不可缺少的关键材料,目前在各个工业部门以及空间技术、电子技术、激光技术、光电子技术、红外技术发展方面发挥了重要作用。本文以石墨烯为例,对磷化铜纳米粒子修饰石墨烯复合材料的制备及性能表征进行分析,旨在对石墨烯及其他无机非金属材料的制备和应用有所帮助。
  1 石墨烯与磷化铜性能分析:磷化铜存在特殊的电化学嵌锂性能,作为锂离子电池负极材料极具潜力,而且其体积容量几乎是石墨的4倍。作为锂离子电池负极材,磷化铜优点是初始放电容量高,电化学活性高;缺点是在充放电的过程中,由于脱锂/嵌锂产生的应力使得磷化铜活性物质形貌结构发生变化,导致放电容量的迅速衰减。磷化铜纳米粒子与导电性、热稳定性较好的基体材料复合是改善材料电学性能的有效途径。
  石墨烯具有很高的柔性、优良的导电性和热稳定性,可以从结构上限制磷化铜在充放电过程中的体积膨胀与收缩,同时石墨烯具有很好的导电性,可以提高电子的传导速率。因此,通过石墨烯复合磷化铜可以有效的提高其电学性能。
  2 磷化铜纳米粒子修饰石墨烯复合材料制备
  2.1一般材料:氯化铜(CuCl2・2H2O,AR,上海埃彼化学试剂有限公司);白磷(P4,AR,天津富宇化工有限公司);石墨粉(国药集团化学试剂有限公司);十六烷基三甲基溴化铵(CTAB,西安化学试剂厂);水(二次蒸馏水)。
  2.2氧化石墨烯的制备:使用天然的石墨粉,采用改进的Hummers法合成氧化石墨烯。使用超纯水对粗产品进行洗涤,至pH约为6。最后进行真空冷冻干燥等到固体氧化石墨烯。
  2.3复合材料的制备:精确的称量出10mg氧化石墨烯固体与准确量取40mL氨水溶液(28%)加入到50mL的聚四氟乙烯反应釜内衬中,超声分散2h,直到反应釜中的固体物质完全分散,溶液变的均匀。加入50mg十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)超声至CTAB完全溶解,将50mg氯化铜(CuCl2・2H2O)加入反应釜中,磁力搅拌30min。期间超声分散注意水温保持室温。加入100mg黄磷(YP),将内衬密封至不锈钢釜壳中,在140℃恒温干燥箱中连续反应12h。待反应完成后,取釜,自然冷却至室温。得到的黑色粗产物用苯、无水乙醇、蒸馏水依次洗涤数次,来除去副反应生成的杂质。最后将清洗完全后的产物,在60℃真空干燥箱内恒温干燥6h,完成后,收集样品待用。
  3 磷化铜纳米粒子修饰石墨烯复合材料性能表征:样品的物相和纯度同样用D/Max-3c型XRD进行检测;样品的形貌分析利用日本HitachiS-4800型场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM,FEITecnaiG2F20S-TWIN)观察。
  3.1结构分析
  Gr和Cu3P-Gr复合物的XRD图见图1所示。
  通过图1可知,GO位于10.4°的(002)特征峰(图1a插图)对应0.850nm的层间距。当溶剂热反应完成后,Gr在大约24.4°处出现一个较宽的峰,其对应的层间距为0.365nm,这说明在该溶剂热体系下GO被还原成Gr。复合物中主要的(112),(202),(211),(300),(113)和(212)晶面分别出现在36.0°,39.1°,41.6°,45.1°,46.2°和47.3°,能够对应Cu3P的标准卡片值(JCPDS号为71-2261)。其中复合物XRD中出现明显的宽峰(图1a黑框标记处),这直接说明Cu3P锚定在石墨烯表面。EDS图分析结果表明在复合物中仅存在Cu、P、O和C四种元素,这点与XRD图分析结果一致。对存在的元素的含量分析发现,复合物中C:O接近11:1,这说明复合物中氧化石墨烯还原的程度较高。
  3.2复合物的电学性能:石墨烯作为锚定点保留了其优异的电学性能,同时与纳米Cu3P粒子相互交叠加大了夹层间距和更丰富的微孔结构,两者协同提供更多的储锂空间。有效的提升了复合材料的充放电比容量,解决了单一组分材料的电学性能缺陷。
  此外,Cu3P-Gr复合材料和单一组分Cu3P都在0.75V左右出现了明显的充放电平台,这可以归结于Cu3P+3Li→Li3P+3Cu这一反应。同时,Cu3P-Gr复合材料比单一组分Cu3P充放电平台更长更平稳,这说明石墨烯的加入有效的减少了纳米Cu3P粒子所带来的体积效应,且石墨烯优异的电学性能提高了复合材料的整体导电能力,缩短了锂离子传输的距离,提高锂离子脱嵌过程的扩散速度。这一显著提高,更加有利于复合材料的实际应用。
  4 结论
  本文以石墨烯、氯化铜、白磷为原料成功制备出Cu3P修饰的石墨烯复合材料,并对其结构、尺寸和形貌进行了表征。石墨烯复合材料电学性能测试结果表明:复合物的放电容量及循环性能优于单一组分的石墨烯、磷化铜,循环性能突出,具有一定的应用价值。
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