潘海龍

摘要：無(wú)機(jī)非金屬材料憑借高熔點(diǎn)、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強(qiáng)度和良好的抗氧化性等屬性廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。本文對(duì)石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行制備，分析其性能表征，旨在對(duì)石墨烯及其他無(wú)機(jī)非金屬材料的應(yīng)用有所幫助。

關(guān)鍵詞：無(wú)機(jī)非金屬材料；石墨烯；制備；性能表征

中圖分類號(hào)： TB321 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

無(wú)機(jī)非金屬新材料具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、多功能等多種優(yōu)越性能，是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可缺少的關(guān)鍵材料，目前在各個(gè)工業(yè)部門以及空間技術(shù)、電子技術(shù)、激光技術(shù)、光電子技術(shù)、紅外技術(shù)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。本文以石墨烯為例，對(duì)磷化銅納米粒子修飾石墨烯復(fù)合材料的制備及性能表征進(jìn)行分析，旨在對(duì)石墨烯及其他無(wú)機(jī)非金屬材料的制備和應(yīng)用有所幫助。

1 石墨烯與磷化銅性能分析：磷化銅存在特殊的電化學(xué)嵌鋰性能，作為鋰離子電池負(fù)極材料極具潛力，而且其體積容量幾乎是石墨的4倍。作為鋰離子電池負(fù)極材，磷化銅優(yōu)點(diǎn)是初始放電容量高，電化學(xué)活性高；缺點(diǎn)是在充放電的過程中，由于脫鋰/嵌鋰產(chǎn)生的應(yīng)力使得磷化銅活性物質(zhì)形貌結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致放電容量的迅速衰減。磷化銅納米粒子與導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性較好的基體材料復(fù)合是改善材料電學(xué)性能的有效途徑。

石墨烯具有很高的柔性、優(yōu)良的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性，可以從結(jié)構(gòu)上限制磷化銅在充放電過程中的體積膨脹與收縮，同時(shí)石墨烯具有很好的導(dǎo)電性，可以提高電子的傳導(dǎo)速率。因此，通過石墨烯復(fù)合磷化銅可以有效的提高其電學(xué)性能。

2 磷化銅納米粒子修飾石墨烯復(fù)合材料制備

2.1一般材料：氯化銅（CuCl2·2H2O，AR，上海埃彼化學(xué)試劑有限公司）；白磷（P4，AR，天津富宇化工有限公司）；石墨粉（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；十六烷基三甲基溴化銨（CTAB，西安化學(xué)試劑廠）；水（二次蒸餾水）。

2.2氧化石墨烯的制備：使用天然的石墨粉，采用改進(jìn)的Hummers法合成氧化石墨烯。使用超純水對(duì)粗產(chǎn)品進(jìn)行洗滌，至pH約為6。最后進(jìn)行真空冷凍干燥等到固體氧化石墨烯。

2.3復(fù)合材料的制備：精確的稱量出10mg氧化石墨烯固體與準(zhǔn)確量取40mL氨水溶液（28%）加入到50mL的聚四氟乙烯反應(yīng)釜內(nèi)襯中，超聲分散2h，直到反應(yīng)釜中的固體物質(zhì)完全分散，溶液變的均勻。加入50mg十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）超聲至CTAB完全溶解，將50mg氯化銅（CuCl2·2H2O）加入反應(yīng)釜中，磁力攪拌30min。期間超聲分散注意水溫保持室溫。加入100mg黃磷（YP），將內(nèi)襯密封至不銹鋼釜?dú)ぶ?，?40℃恒溫干燥箱中連續(xù)反應(yīng)12h。待反應(yīng)完成后，取釜，自然冷卻至室溫。得到的黑色粗產(chǎn)物用苯、無(wú)水乙醇、蒸餾水依次洗滌數(shù)次，來除去副反應(yīng)生成的雜質(zhì)。最后將清洗完全后的產(chǎn)物，在60℃真空干燥箱內(nèi)恒溫干燥6h，完成后，收集樣品待用。

3 磷化銅納米粒子修飾石墨烯復(fù)合材料性能表征：樣品的物相和純度同樣用D/Max-3c型XRD進(jìn)行檢測(cè)；樣品的形貌分析利用日本HitachiS-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）、透射電子顯微鏡（TEM，F(xiàn)EITecnaiG2F20S-TWIN）觀察。

3.1結(jié)構(gòu)分析

Gr和Cu3P-Gr復(fù)合物的XRD圖見圖1所示。

通過圖1可知，GO位于10.4°的（002）特征峰（圖1a插圖）對(duì)應(yīng)0.850nm的層間距。當(dāng)溶劑熱反應(yīng)完成后，Gr在大約24.4°處出現(xiàn)一個(gè)較寬的峰，其對(duì)應(yīng)的層間距為0.365nm，這說明在該溶劑熱體系下GO被還原成Gr。復(fù)合物中主要的（112），（202），（211），（300），（113）和（212）晶面分別出現(xiàn)在36.0°，39.1°，41.6°，45.1°，46.2°和47.3°，能夠?qū)?yīng)Cu3P的標(biāo)準(zhǔn)卡片值（JCPDS號(hào)為71-2261）。其中復(fù)合物XRD中出現(xiàn)明顯的寬峰（圖1a黑框標(biāo)記處），這直接說明Cu3P錨定在石墨烯表面。EDS圖分析結(jié)果表明在復(fù)合物中僅存在Cu、P、O和C四種元素，這點(diǎn)與XRD圖分析結(jié)果一致。對(duì)存在的元素的含量分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)合物中C：O接近11：1，這說明復(fù)合物中氧化石墨烯還原的程度較高。

3.2復(fù)合物的電學(xué)性能：石墨烯作為錨定點(diǎn)保留了其優(yōu)異的電學(xué)性能，同時(shí)與納米Cu3P粒子相互交疊加大了夾層間距和更豐富的微孔結(jié)構(gòu)，兩者協(xié)同提供更多的儲(chǔ)鋰空間。有效的提升了復(fù)合材料的充放電比容量，解決了單一組分材料的電學(xué)性能缺陷。

此外，Cu3P-Gr復(fù)合材料和單一組分Cu3P都在0.75V左右出現(xiàn)了明顯的充放電平臺(tái)，這可以歸結(jié)于Cu3P+3Li→Li3P+3Cu這一反應(yīng)。同時(shí)，Cu3P-Gr復(fù)合材料比單一組分Cu3P充放電平臺(tái)更長(zhǎng)更平穩(wěn)，這說明石墨烯的加入有效的減少了納米Cu3P粒子所帶來的體積效應(yīng)，且石墨烯優(yōu)異的電學(xué)性能提高了復(fù)合材料的整體導(dǎo)電能力，縮短了鋰離子傳輸?shù)木嚯x，提高鋰離子脫嵌過程的擴(kuò)散速度。這一顯著提高，更加有利于復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文以石墨烯、氯化銅、白磷為原料成功制備出Cu3P修飾的石墨烯復(fù)合材料，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、尺寸和形貌進(jìn)行了表征。石墨烯復(fù)合材料電學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明：復(fù)合物的放電容量及循環(huán)性能優(yōu)于單一組分的石墨烯、磷化銅，循環(huán)性能突出，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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