石墨烯/纳米金属氧化物卷绕式结构的构筑及其复合材料的电化学性能

针对金属氧化物的嵌锂反应活性问题，本项目提出将纳米金属氧化物负载在氧化石墨烯的表面上并且将其制备成卷绕式结构的设想。采用氧化石墨烯作为基底，利用水解和水热法将纳米金属氧化物负载在氧化石墨烯的表面上，然后采用自卷绕技术将表面载有纳米金属氧化物的氧化石墨烯制成卷绕式复合材料。.研究将纳米金属氧化物均匀负载在氧化石墨烯表面上的负载工艺，研究将表面载有纳米金属氧化物的氧化石墨烯制成卷绕式复合材料的自卷绕技术，揭示自卷绕的形成机理及其规律，阐明卷绕式结构的构筑对复合材料电化学反应性能的作用机制。.本项目不仅能够实现石墨烯类复合材料在结构设计上的新概念，而且能够实现石墨烯与纳米金属氧化物复合的新技术，为增强金属氧化物的嵌锂性能提供新的思路和作法。借助于卷绕式结构的构筑，基于不同纳米金属氧化物的功能，本项目必将为新型石墨烯复合材料的发展提供基础性研究，具有重要的学术价值和应用前景。

基于化学储能的石墨烯与纳米金属氧化物复合材料被认为是最有希望成为高比能锂离子电池的负极材料。但是，纳米金属氧化物普遍存在的问题在于：（1）导电性差；（2）多次循环后的粉化。针对上述问题，本项目就石墨烯/纳米金属氧化物的自卷绕机理和储锂性能开展基础性研究，主要研究纳米金属氧化物均匀负载在氧化石墨烯表面上的合成工艺，研究石墨烯/纳米金属氧化物纳米卷的自卷绕形成机理及其规律，阐明卷绕式结构的构筑对复合材料电化学嵌锂反应性能的作用机制。. 我们以氧化石墨烯纳米片作为基体，以锐钛矿型TiO2纳米颗粒作为前驱体 ，在国内外首次研制出TiO2(B)纳米线/石墨烯的自卷绕复合材料并报道了石墨烯自卷绕机理与嵌锂性能。研究发现，在强碱性溶液下水热反应时，锐钛矿型二氧化钛会逐渐溶解，在表面自由能减小的驱动力下无定形的钛酸盐会转变为一维纳米线，同时带动其所附着的石墨烯开始卷绕，最终形成一维的卷绕式结构。该复合材料在0.1 C倍率下的首次放电比容量、充电比容量分别为272和232 mAh g-1。该项成果发表在国际电化学领域权威期刊Journal of Power Sources (SCI, 影响因子：5.211)上，申请国家发明专利1项。. 我们采用化学切割法将碳纳米管纵向切开，制备成石墨烯纳米带。研究发现，石墨烯纳米带具有导电性强、质量轻、柔性透明并且多孔等特点，不仅可以提高锂离子的储存容量，也能够提高快速充放电性能。我们在国内外首次证实了石墨烯纳米带与磷酸铁锂之间的静电力作用并且研制出石墨烯纳米带缠绕磷酸铁锂的新型复合正极材料。相关研究成果发表在Electrochimica Acta (SCI, 影响因子：4.086),申请国家发明专利2项。. 本项目成功的研制出具有新型结构的石墨烯与纳米金属氧化物复合材料，实现了石墨烯复合材料在卷绕式或缠绕式结构上的设计理念，而且实现了石墨烯与纳米金属氧化物复合的新技术，为增强纳米金属氧化物的电导率和电化学性能提供新的思路和作法。同时，为石墨烯复合材料提供了新的发展方向，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。