[摘 要]氧化石墨烯表面吸附過(guò)渡金屬氧化物的報(bào)道很多，例如石墨烯的表面包覆SnO2，可以明顯的提高電池的電化學(xué)性能。但是使金屬陽(yáng)離子吸附在石墨烯表面的過(guò)程較為繁瑣。本項(xiàng)目研究的石墨烯基金屬氧化物是采用異質(zhì)絮凝的方法，通過(guò)靜電作用以及氫鍵作用吸附金屬陽(yáng)離子，使金屬前驅(qū)體鋅銨鹽均勻的分布在氧化石墨烯的表面，是一種新型的快速制備方法。本項(xiàng)目通過(guò)氧化石墨烯與鋅銨鹽作用，使其均勻地分布在GO表面。再通過(guò)高溫分解，得到石墨烯基氧化鋅。具有良好導(dǎo)電性的石墨烯既可以提高復(fù)合物的導(dǎo)電性，還可以抑制ZnO顆粒的體積形變，從而提高復(fù)合物的電化學(xué)性能及作為電極材料的應(yīng)用價(jià)值。該方法還有望擴(kuò)展到其他石墨烯基金屬氧化物的制備。

[關(guān)鍵詞]氧化石墨烯； 金屬氧化物； 靜電作用； 氫鍵作用；鋰離子電池

隨著人們對(duì)便攜式電子產(chǎn)品的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備的需求的日益增加，能量密度高的和循環(huán)壽命長(zhǎng)的鋰離子電池的發(fā)展顯得越來(lái)越重要。金屬氧化物因具有高的理論容量、自然儲(chǔ)量豐富和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用作鋰離子電池負(fù)極材料。鋰離子電池較高的能量密度，長(zhǎng)的循環(huán)壽命，沒(méi)有記憶效應(yīng)，密度小，低的變形性使其得到廣泛的應(yīng)用，而金屬氧化物作為鋰離子電池的負(fù)極材料也因?yàn)榫哂休^高的理論電容量，自然界中含量豐富，低成本等特點(diǎn)而備受矚目。然而，由于金屬氧化物在電池中的轉(zhuǎn)化會(huì)造成體積的增大、粒子聚集，從而導(dǎo)致電池的循環(huán)性能降低。為了避免這些問(wèn)題，我們引入石墨烯負(fù)載金屬氧化物來(lái)克服這種問(wèn)題，提高電池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而改善電化學(xué)性能。

目前大多數(shù)人的制作氧化石墨的方法是原位生長(zhǎng)法，由于對(duì)石墨片進(jìn)行了預(yù)先的化學(xué)處理，石墨稀的電子結(jié)構(gòu)有可能被破壞，使導(dǎo)電性與電子遷移率有所降低。我們制備的石墨烯基金屬氧化物不僅能夠解決聚合問(wèn)題，而且能夠金屬氧化物保持納米級(jí)。所以我們這次實(shí)驗(yàn)計(jì)劃利用靜電作用以及官能團(tuán)作用使鋅銨鹽與氧化石墨烯結(jié)合。氧化石墨烯的層與層之間，邊緣處具有羧基和羥基，本身帶有負(fù)電荷，與鋅銨鹽溶液混合后，利用靜電自組裝原理將鋅銨鹽和帶有負(fù)電荷的氧化石墨烯相結(jié)合形成氧化石墨烯金屬氧化物，然后探究不同溫度下的高溫還原的情況，得到高分散的小尺寸氧化鋅納米顆粒，從而得到導(dǎo)電性能很好的電池負(fù)極材料。

一、結(jié)果與討論

1.石墨烯基氧化鋅樣品的表征

石墨烯彼此疊加形成層狀三明治結(jié)構(gòu)，氧化鋅納米顆粒高度分散于石墨烯夾層中。通過(guò)TEM表征，可進(jìn)一步知道在石墨烯夾層中的ZnO顆粒的形貌并不單一，呈六邊形，三角形，長(zhǎng)條形等，顆粒尺寸在20nm左右。

2.電化學(xué)性能測(cè)試

為了研究G-ZnO電化學(xué)性能的變化，分別制出了負(fù)載量不同的G-ZnO復(fù)合物，并進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。如圖1、2所示，相比G-ZnO-3和G-ZnO-7的性能，G-ZnO-5具有更高的充放電容量，更好的循環(huán)和倍率性能。其較高的電化學(xué)性能是因?yàn)閆nO顆粒被固定在三明治結(jié)構(gòu)的石墨烯層中，其在充放電過(guò)程中的體積形變被抑制。同時(shí)石墨烯可以大幅提高G-ZnO的導(dǎo)電性，從而提高G-ZnO的電化學(xué)性能。而且G-ZnO-5的負(fù)載量始終，電化學(xué)性能較佳。G-ZnO-3可能是負(fù)載量較低，阻礙了其電化學(xué)性能的進(jìn)一步提升。G-ZnO-7則可能是因?yàn)镚O上吸附粒子的位點(diǎn)一定，當(dāng)?shù)渭?ml的鋅銨鹽溶液時(shí)已經(jīng)達(dá)到了它的最大負(fù)載量，滴加7ml時(shí)粒子在GO表面聚集堆積，影響電化學(xué)性能。

二、結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)采用異質(zhì)絮凝的方法，通過(guò)靜電作用和氫鍵作用，在氧化石墨烯表面自組裝過(guò)渡金屬絡(luò)合物陽(yáng)離子，高溫處理后制備石墨烯基金屬氧化物，有望制備高分散的小尺寸金屬氧化物納米顆粒。這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)思新穎，操作簡(jiǎn)單，可重復(fù)性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。且產(chǎn)物的電化學(xué)性能得到大幅度提升，具有重要的科學(xué)意義和特色，可望開(kāi)發(fā)成有利于培養(yǎng)本科生化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能和科研素質(zhì)培養(yǎng)的高水平化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)和生活化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

三、實(shí)驗(yàn)部分

稱(chēng)取一定量的氯化鋅固體，量取一定量的濃氨水。逐漸將濃氨水加入氯化鋅中，產(chǎn)生白色沉淀。繼續(xù)加入剩下的濃氨水，觀察到白色沉淀消失。量取一定量的濃鋅銨鹽溶液，加水100ml和濃氨水20ml進(jìn)行稀釋?zhuān)ＷC此時(shí)不出現(xiàn)沉淀且溶液呈強(qiáng)堿性。分別量取3mL，5mL，7mL的鋅銨鹽溶液滴加到已經(jīng)超聲分散的一定濃度的GO中。由于氧化石墨烯在一定的pH范圍內(nèi)帶有負(fù)電荷，通過(guò)加入稀鋅銨鹽溶液， 帶有正電荷，通過(guò)靜電吸附作用與官能團(tuán)作用與氧化石墨烯結(jié)合從而得到復(fù)合物。

得到的鋅銨鹽與氧化石墨烯結(jié)合的物質(zhì)后，在管式爐中隔絕氧氣加熱還原，得到相應(yīng)的G-ZnO，進(jìn)而得到電池負(fù)極材料。得到的物質(zhì)，去做XRD大角衍射以驗(yàn)證氧化物是否為氧化鋅及氧化石墨烯被還原程度，通過(guò)X射線光電子能譜分析來(lái)驗(yàn)證氧化石墨烯被還原的情況，通過(guò)做SEM和TEM來(lái)觀察氧化物在石墨烯中的分布均勻程度，用電池測(cè)試系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)樣品的電化學(xué)性能。