摘要

本发明公开了一种石墨烯-金属氧化物复合材料及其制备方法，包括1）将氧化石墨烯稀释，超声分散得氧化石墨烯溶液；2）将铈盐（或锆盐）加入到氧化石墨烯溶液中，再次超声分散得混合液；3）在混合液中加入助剂；4）将混合溶液超声分散至溶液清晰无颗粒状物，加入水合肼，氨水调pH值；5）搅拌，冷却，离心得固体物；6）将固体物过滤，洗涤至中性，干燥即得石墨烯-金属氧化物复合材料。该方法提高了金属氧化物的电导率和电化学性能；缓解金属氧化物的体积膨胀，提高了金属氧化物的循环稳定性；可重复操作性强、操作简单，易于规模化放大。材料具有石墨烯轻质、高强、耐高温、高的比表面积、良好的导电性、催化、发光等性能。

技术领域

[0001] 本发明涉及一种石墨烯-金属氧化物复合材料及其制备方法，属于无机复合材料制备技术领域。

背景技术

[0002] 石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构，是一种“超级材料”，是最薄却也是最坚硬、传递电子速度最快的纳米材料。英国物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov因在石墨烯材料方面的卓越研究，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯负载复合物是是石墨烯众多研究领域之一，近年来受到了极大的关注。氧化石墨烯是石墨烯的一种重要的衍生物，也是功能化的石墨烯，表面有大量的官能团，如羧基、羟基、环氧基，这使得他容易与水分子形成氢键，因而具有良好的亲水性。氧化石墨烯的活泼性为制备氧化石墨烯/金属氧化物复合材料提供了先决条件。

[0003] 二氧化铈（CeO2）具有晶型单一,电化学性能和光学性能良好等优点,用作抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽车尾气催化剂、某些永磁材料、各种合金钢及有色金属合金等，高纯氧化铈也用于生产稀士发光材料，广泛应用于陶瓷、电工、化工等行业。向CeO2中添加其他金属离子所形成的固溶体，由于离子的加入，可导致CeO2产生晶格畸变和缺陷，从而增强氧的活动能力、改善CeO2热稳定性、催化活性、电导率及离子传导率等。Sm掺杂CeO2(SDC)，Gd掺杂CeO2(GDC)由于具有较高的电导率而被广泛研究。

[0004] 二氧化锆（ZrO2）作为一种催化剂、催化剂载体、陶瓷和电极等材料己引起了人们广泛的关注。作为功能材料，它被广泛应用于光、电、磁、热等各个领域，是2l世纪最有发展前途的功能材料之一。但是常规的二氧化锆热稳定性差、比表面小、孔隙欠发达。在氧化锆中添加一定量的其他金属氧化物，可以使高温下才能稳定存在的四方甚至立方相氧化锆以介稳态存在于常温下。利用其相变增韧效果改善氧化锆材料的力学性能和抗热震性，一些物质的掺入还可显著增加氧化锆固体电解质内的氧空位浓度，提高材料的氧离子电导。如Y2O3，Sc2O3等，就可以在室温下形成稳定的立方萤石相结构，并且使氧空位浓度增加保持材料整体的电中性。

[0005] 将石墨烯引入金属氧化物中，一方面可以提高金属氧化物的电导率，另一方面还可以缓解金属氧化物的体积膨胀，很大程度上提高了金属氧化物的电化学性能和循环稳定性。该复合材料可应用于航空航天、光学系统、空间技术、能源技术等诸多领域。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种化学稳定性和循环稳定性良好的石墨烯-金属氧化物复合材料，并提供该复合材料的制备方法，石墨烯的添加增加了复合材料的强度、韧性以及电化学性能，对于推动复合材料的应用具有重要的意义。

[0007] 本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

[0008] 一种石墨烯-金属氧化物复合材料，该复合材料由下述重量份数的原料制备而成：

[0009] 氧化石墨烯 0.1-30；

[0010] 铈盐（或锆盐） 40-99.85；

[0011] 水合肼 0.01-300；

[0012] 助剂 0.03-40。

[0013] 优选地，所述铈盐（或锆盐）为金属铈或锆的氯化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐、醋酸盐或草酸盐。

[0014] 优选地，所述助剂为助剂金属盐或助剂金属氧化物，所述助剂金属盐为钇（Y）、钪（Sc）、钐（Sm）或钆（Gd）的氯化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐、醋酸盐或草酸盐，所述助剂金属氧化物为钇（Y）、钪（Sc）、钐（Sm）或钆（Gd）的氧化物。

[0015] 相应地，本发明给出了石墨烯-金属氧化物复合材料的制备方法，包括下述步骤：

[0016] 1）将重量份数为0.1-30份的氧化石墨烯加去离子水稀释，超声分散得氧化石墨烯溶液；

[0017] 2）将重量份数为40-99.85份的铈盐（或锆盐）加入到步骤1）所述氧化石墨烯溶液中，再次超声分散得到混合液；

[0018] 3）在步骤2）所得混合液中加入重量份数为0.03-40份的助剂；

[0019] 4）将步骤3）得到的混合溶液超声分散至溶液清晰无颗粒状物质，加入重量份数为0.01-300份的水合肼，并用氨水调节该溶液的pH值；

[0020] 5）控制搅拌条件，冷却至室温后，离心分离得到固体物；

[0021] 6）将步骤5）所得固体物过滤，并用去离子水洗涤至中性，干燥即得石墨烯-金属氧化物复合材料。

[0022] 优选地，所述步骤1）中氧化石墨烯溶液浓度为0.01-3mg/ml。

[0023] 优选地，所述步骤4）在中用氨水调节该溶液的pH值，氨水浓度为25%，调节pH值至8-11。

[0024] 优选地，所述步骤5）中控制搅拌条件，搅拌温度控制在50-150℃，搅拌1-48h。

[0025] 优选地，所述步骤6）中干燥温度为20-200℃，干燥1-48h。

[0026] 本发明的有益效果：

[0027] 1.将石墨烯引入金属氧化物中，提高了金属氧化物的电导率，使金属氧化物的电化学性能得到很到改善；

[0028] 2.另一方面石墨烯的引入还可以缓解金属氧化物的体积膨胀，很大程度上提高了金属氧化物的循环稳定性；

[0029] 3.制备过程不需功能化过程、可重复操作性强、操作简单，易于规模化放大；

[0030] 4.制备的石墨烯-金属氧化物复合材料既具有石墨烯轻质、高强、耐高温、高的比表面积、良好的导电性等优势，还具有良好的催化、发光等性能。

[0031] 根据本发明，在以上制备条件下可以简单、快速、安全的制备出石墨烯-金属氧化物复合材料，且制备出的材料无需进行后续处理。因此，本发明提供了一种具有工业化前景的石墨烯-金属氧化物复合材料及其制的方法，而且本发明制备出的石墨烯-金属氧化物复合材料在催化、光电和陶瓷的应用领域都有非常广阔的应用前景。