一种微波诱导石墨烯纤维无纺布负载铋纳米颗粒的制备方法技术

本发明专利技术为一种微波诱导石墨烯纤维无纺布负载铋纳米颗粒的制备方法。该方法将石墨烯纺织成无纺布结构，同时负载铋纳米颗粒；进而再通过微波，将负载铋颗粒的石墨烯纤维无纺布进行微波处理，得到充分纳米化的铋纳米颗粒，从而获得优异的电化学性能。本发明专利技术得到的柔性石墨烯/铋纳米颗粒无纺布具有电化学性能优良、制备方法简便的优势，易于工业化应用，微波诱导制备铋纳米颗粒的方法同时为快速，便捷的合成金属纳米粒子提供了一条有效的途径。

【技术实现步骤摘要】
一种微波诱导石墨烯纤维无纺布负载铋纳米颗粒的制备方法
本专利技术属于新材料制备领域，具体涉及一种微波诱导石墨烯纤维无纺布负载铋纳米颗粒的制备方法。
技术介绍
近年来，随着集成电路的发展，便携式可穿戴电子设备被广泛的应用于我们的生活中，同时，对其续航时长也提出了较高的要求。与可穿戴电子设备的迅速发展不同的是，可穿戴储能设备的研究进展要相对缓慢。所以，如何更好的发挥可穿戴储能设备如超级电容器、柔性电池等轻薄、便携、机械柔性的特点，同时兼具高能量密度与功率密度，进而更好的提升柔性可穿戴电子设备的舒适性与便携性，实现真正意义上的柔性可穿戴一体式系统，是当前亟需解决的问题。目前，由于其优异的性能，锂离子电池依然是储能设备的首要选择。但由于锂资源在全球分布的稀缺性，造成其成本相对高昂，与之相对，钠资源的储量更为丰富，成本低廉，使得钠离子电池成为未来储能设备的重要发展方向。便携式的柔性钠离子储能器件由于其轻便，体积小等优势具有广阔的应用前景，而柔性电极材料的制备是柔性钠离子储能器件的核心。当前，钠离子储能器件(钠离子混合电容器、钠离子电池等)具有广阔的应用前景，但是，由于钠离子的离子半径相较于锂离子更大，使得钠离子储能器件在应用中遇到了一些问题，较大的离子半径使得钠离子在插入/脱插的过程中造成电极材料的体积变化较为严重，甚至导致材料粉碎，造成不可逆的容量衰减。而且，用于钠离子储能器件的负极材料电化学反应动力学较差，导致其倍率性能较差，且利用当前柔性负极材料制备方法所制备材料的机械性能还无法达到要求。已经报道的一些柔性钠离子储能器件负极材料的制备方法，依然会出现电化学反应动力学滞后、可逆性差、不可逆容量损失大、机械稳定性较差等问题。可选择的钠离子负极材料种类众多，铋(Bi)作为一种合金基型负极材料，由于其独特的层状晶体结构和较大的层间距，以及较大的理论容量，近年来在钠离子负极材料中得到了广泛的研究。熊佩勋等通过简便的退火方法制备铋纳米颗粒与碳的复合材料，铋纳米颗粒均匀嵌入碳骨架中，使得该复合材料具有均匀的结构。纳米结构可以确保快速动力学同时可以有效缓解由于铋的体积变化引起的应力应变。该复合材料在较高的电流密度下仍然具有超长的循环寿命，具有优异的电化学性能；杨海等设计了一种多核壳铋与氮掺杂的碳负极材料(Bi@N-C)，纳米级的铋球被导电的氮掺杂多孔碳壳封装，可以有效防止防止铋在充放电过程中的巨大的体积变化，有效的提成了钠离子电池的倍率性能和长循环能力。铋(Bi)在充放电合金化过程中较大的体积变化(≈250％)成为其实际应用中的首要问题。另外，石墨烯无纺布材料具有较好的柔韧性，导电性，且轻便，体积小，可以直接通过编织集成在可穿戴器件上，在柔性储能设备中具有很好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决当前柔性负极材料机械稳定性较差、容量低、电化学反应动力学出现滞后等问题，设计出了一种微波诱导石墨烯纤维无纺布负载铋纳米颗粒的制备方法。该方法将具有优异物理性能的石墨烯纺织成无纺布结构，同时负载铋纳米颗粒，使石墨烯优异的导电性、柔韧性和机械强度与铋的较高理论容量相结合；进而再通过微波，将负载铋颗粒的石墨烯纤维无纺布进行微波处理，得到充分纳米化的铋纳米颗粒，从而获得优异的电化学性能。本专利技术得到的柔性石墨烯/铋纳米颗粒无纺布具有电化学性能优良、制备方法简便的优势，易于工业化应用，微波诱导制备铋纳米颗粒的方法同时为快速，便捷的合成金属纳米粒子提供了一条有效的途径。本专利技术的技术方案为：一种微波诱导石墨烯纤维无纺布负载铋纳米颗粒的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)制备氧化石墨烯/N，N-二甲基甲酰胺(GO/DMF)：将氧化石墨烯水溶液置于离心管中，氧化石墨烯水溶液占离心管体积的1/6-1/3；随后加入1/6-1/2离心管体积的N，N-二甲基甲酰胺，放入离心机中，转速为7000-11000rpm，时间为25-35min，离心完毕后保留底部氧化石墨烯，去除上清液；重复“加入N，N-二甲基甲酰胺-离心分离-去除上清液”过程1-5次，最终得到4-13mg/mL氧化石墨烯的DMF分散液；其中，氧化石墨烯水溶液浓度为2-4mg/mL；(2)铋粉的细化：将铋粉放入研钵中研磨30～60min，得到粒径为40～60μm的铋颗粒；(3)制备氧化石墨烯/铋/N，N-二甲基甲酰胺：将铋粉加入步骤(1)得到的氧化石墨烯/N，N-二甲基甲酰胺(GO/DMF)中，磁力搅拌3-6h，得到氧化石墨烯/铋/N，N-二甲基甲酰胺；其中，每毫克铋粉加入0.5-2mL氧化石墨烯/N，N-二甲基甲酰胺(GO/DMF)；(4)湿法纺丝制备负载铋颗粒的氧化石墨烯无纺布材料：用注射器量取步骤(3)所得到的混合液，将注射器放置在注射机上以3-18mL/h的注射速度注入到凝固液中，纺织成无纺布结构，注射结束后将无纺布放置在室温干燥；(5)将步骤(4)得到的干燥无纺布放置在干燥皿中，加入氢碘酸，密闭状态加热至60-120℃，保温时间为3-9h，得到负载铋微小颗粒的石墨烯无纺布；其中，平均每毫克无纺布加入0.1-0.3mL氢碘酸。(6)将步骤(5)还原后的无纺布放置在耐高温容器中，同时瓶内充入稀有气体，置于微波炉中，在700-1200W的功率下微波加热1-20s，最终得到粒径分布在30-50nm的负载铋纳米颗粒的石墨烯无纺布。所述的步骤(4)中的凝固液为乙酸乙酯。所述的步骤(6)中的耐高温容器为石英瓶，稀有气体为氩气。所述的无纺布结构中，石墨烯纤维的直径为40-70μm，石墨烯纤维之间的间距为30-80μm。本专利技术的实质性特点为：本专利技术通过湿法纺丝、化学热还原法和微波处理得到了目标产品。与其他方法相比，本技术方案中负载铋纳米颗粒的石墨烯无纺布的实质性特点如下。第一，通过微波处理瞬时加热极大缩短了反应时间，简单、快速、高效，相比于传统加热方法提升了加热效率，同时具有优越的纳米级形态控制。第二，石墨烯无纺布良好的导电性有助于局部焦耳加热，作为碳材料良好的导热性有助于石墨烯无纺布作为瞬时加热的基材，这些特性使其具有良好的吸收微波辐射的能力。瞬时加热的高温有助于粒径较大的金属铋迅速分解形为铋纳米颗粒。第三，纳米级尺寸的金属铋颗粒可以提供快速反应动力学，提升电子电导率和离子电导率，更重要的是，可以有效缓解由于较大体积变化引起的应力和应变，从而进一步获得优异的电化学性能，保证循环稳定性。第四，通过湿法纺丝制得的石墨烯无纺布作为基体可以有效缓解铋纳米颗粒的体积膨胀，同时由于其优异的导电性，也提供了相互连接的电子传输通道。最后，石墨烯独特的结构使其具有较高的电导率与机械强度以及良好的电化学稳定性。将石墨烯纺织成无纺布结构，由于传统织物自身并不具备导电性，这极大的限制了传统织物在可穿戴电子领域中的应用，利用石墨烯优异的性能，制得的电极材料具有很好的柔韧性，在柔性钠离子储能器件中将会具有较好的发展前景。本专利技术的有益效果：本专利技术通过湿法纺丝、化学热还原法和微波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微波诱导石墨烯纤维无纺布负载铋纳米颗粒的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：/n(1)制备氧化石墨烯/N，N-二甲基甲酰胺(GO/DMF)：/n将氧化石墨烯水溶液置于离心管中，氧化石墨烯水溶液占离心管体积的1/6-1/3；随后加入1/6-1/2离心管体积的N，N-二甲基甲酰胺，放入离心机中离心25-35min，离心完毕后保留底部氧化石墨烯，去除上清液；重复“加入N，N-二甲基甲酰胺-离心分离-去除上清液”过程1-5次，最终得到4-13mg/mL氧化石墨烯的DMF分散液；/n其中，氧化石墨烯水溶液浓度为2-4mg/mL；/n(2)铋粉的细化：将铋粉放入研钵中研磨30～60min，得到粒径为40～60μm的铋颗粒；/n(3)制备氧化石墨烯/铋/N，N-二甲基甲酰胺：/n将铋粉加入步骤(1)得到的氧化石墨烯/N，N-二甲基甲酰胺(GO/DMF)中，磁力搅拌3-6h，得到氧化石墨烯/铋/N，N-二甲基甲酰胺；/n其中，每毫克铋粉加入0.5-2mL氧化石墨烯/N，N-二甲基甲酰胺(GO/DMF)；/n(4)湿法纺丝制备负载铋颗粒的氧化石墨烯无纺布材料：/n用注射器量取步骤(3)所得到的混合液，将注射器放置在注射机上以3-18mL/h的注射速度注入到凝固液中，纺织成无纺布结构，注射结束后将无纺布放置在室温干燥；/n(5)将步骤(4)得到的干燥无纺布放置在干燥皿中，加入氢碘酸，密闭状态加热至60-120℃，保温时间为3-9h，得到负载铋微小颗粒的石墨烯无纺布；/n其中，平均每毫克无纺布加入0.1-0.3mL氢碘酸；/n(6)将步骤(5)还原后的无纺布放置在耐高温容器中，同时瓶内充入稀有气体，置于微波炉中，在700-1200W的功率下微波加热1-20s，最终得到粒径分布在30-50nm的负载铋纳米颗粒的石墨烯无纺布。/n...

【技术特征摘要】
1.一种微波诱导石墨烯纤维无纺布负载铋纳米颗粒的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：
(1)制备氧化石墨烯/N，N-二甲基甲酰胺(GO/DMF)：
将氧化石墨烯水溶液置于离心管中，氧化石墨烯水溶液占离心管体积的1/6-1/3；随后加入1/6-1/2离心管体积的N，N-二甲基甲酰胺，放入离心机中离心25-35min，离心完毕后保留底部氧化石墨烯，去除上清液；重复“加入N，N-二甲基甲酰胺-离心分离-去除上清液”过程1-5次，最终得到4-13mg/mL氧化石墨烯的DMF分散液；
其中，氧化石墨烯水溶液浓度为2-4mg/mL；
(2)铋粉的细化：将铋粉放入研钵中研磨30～60min，得到粒径为40～60μm的铋颗粒；
(3)制备氧化石墨烯/铋/N，N-二甲基甲酰胺：
将铋粉加入步骤(1)得到的氧化石墨烯/N，N-二甲基甲酰胺(GO/DMF)中，磁力搅拌3-6h，得到氧化石墨烯/铋/N，N-二甲基甲酰胺；
其中，每毫克铋粉加入0.5-2mL氧化石墨烯/N，N-二甲基甲酰胺(GO/DMF)；
(4)湿法纺丝制备负载铋颗粒的氧化石墨烯无纺布材料：
用注射器量取步骤(3)所得到的混合液，将注射器放置在注射机上以3-18mL/h的注射速度注入到凝固液中，纺织成无纺布...

【专利技术属性】
技术研发人员：王恭凯，高佳文，张昕，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12