無機非金屬材料的制備及性能表征

潘海龍

摘要：無機非金屬材料憑借高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的抗氧化性等屬性廣泛的應用于工業領域。本文對石墨烯復合材料進行制備，分析其性能表征，旨在對石墨烯及其他無機非金屬材料的應用有所幫助。

關鍵詞：無機非金屬材料；石墨烯；制備；性能表征

中圖分類號： TB321 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

無機非金屬新材料具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、多功能等多種優越性能，是高技術產業不可缺少的關鍵材料，目前在各個工業部門以及空間技術、電子技術、激光技術、光電子技術、紅外技術發展方面發揮了重要作用。本文以石墨烯為例，對磷化銅納米粒子修飾石墨烯復合材料的制備及性能表征進行分析，旨在對石墨烯及其他無機非金屬材料的制備和應用有所幫助。

1 石墨烯與磷化銅性能分析：磷化銅存在特殊的電化學嵌鋰性能，作為鋰離子電池負極材料極具潛力，而且其體積容量幾乎是石墨的4倍。作為鋰離子電池負極材，磷化銅優點是初始放電容量高，電化學活性高；缺點是在充放電的過程中，由于脫鋰/嵌鋰產生的應力使得磷化銅活性物質形貌結構發生變化，導致放電容量的迅速衰減。磷化銅納米粒子與導電性、熱穩定性較好的基體材料復合是改善材料電學性能的有效途徑。

石墨烯具有很高的柔性、優良的導電性和熱穩定性，可以從結構上限制磷化銅在充放電過程中的體積膨脹與收縮，同時石墨烯具有很好的導電性，可以提高電子的傳導速率。因此，通過石墨烯復合磷化銅可以有效的提高其電學性能。

2 磷化銅納米粒子修飾石墨烯復合材料制備

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

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

2.3復合材料的制備：精確的稱量出10mg氧化石墨烯固體與準確量取40mL氨水溶液（28%）加入到50mL的聚四氟乙烯反應釜內襯中，超聲分散2h，直到反應釜中的固體物質完全分散，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），將內襯密封至不銹鋼釜殼中，在140℃恒溫干燥箱中連續反應12h。待反應完成后，取釜，自然冷卻至室溫。得到的黑色粗產物用苯、無水乙醇、蒸餾水依次洗滌數次，來除去副反應生成的雜質。最后將清洗完全后的產物，在60℃真空干燥箱內恒溫干燥6h，完成后，收集樣品待用。

3 磷化銅納米粒子修飾石墨烯復合材料性能表征：樣品的物相和純度同樣用D/Max-3c型XRD進行檢測；樣品的形貌分析利用日本HitachiS-4800型場發射掃描電鏡（FE-SEM）、透射電子顯微鏡（TEM，FEITecnaiG2F20S-TWIN）觀察。

3.1結構分析

Gr和Cu3P-Gr復合物的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）對應0.850nm的層間距。當溶劑熱反應完成后，Gr在大約24.4°處出現一個較寬的峰，其對應的層間距為0.365nm，這說明在該溶劑熱體系下GO被還原成Gr。復合物中主要的（112），（202），（211），（300），（113）和（212）晶面分別出現在36.0°，39.1°，41.6°，45.1°，46.2°和47.3°，能夠對應Cu3P的標準卡片值（JCPDS號為71-2261）。其中復合物XRD中出現明顯的寬峰（圖1a黑框標記處），這直接說明Cu3P錨定在石墨烯表面。EDS圖分析結果表明在復合物中僅存在Cu、P、O和C四種元素，這點與XRD圖分析結果一致。對存在的元素的含量分析發現，復合物中C：O接近11：1，這說明復合物中氧化石墨烯還原的程度較高。

3.2復合物的電學性能：石墨烯作為錨定點保留了其優異的電學性能，同時與納米Cu3P粒子相互交疊加大了夾層間距和更豐富的微孔結構，兩者協同提供更多的儲鋰空間。有效的提升了復合材料的充放電比容量，解決了單一組分材料的電學性能缺陷。

此外，Cu3P-Gr復合材料和單一組分Cu3P都在0.75V左右出現了明顯的充放電平臺，這可以歸結于Cu3P+3Li→Li3P+3Cu這一反應。同時，Cu3P-Gr復合材料比單一組分Cu3P充放電平臺更長更平穩，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，且石墨烯優異的電學性能提高了復合材料的整體導電能力，縮短了鋰離子傳輸的距離，提高鋰離子脫嵌過程的擴散速度。這一顯著提高，更加有利于復合材料的實際應用。

4 結論

本文以石墨烯、氯化銅、白磷為原料成功制備出Cu3P修飾的石墨烯復合材料，并對其結構、尺寸和形貌進行了表征。石墨烯復合材料電學性能測試結果表明：復合物的放電容量及循環性能優于單一組分的石墨烯、磷化銅，循環性能突出，具有一定的應用價值。

參考文獻

[1]張立彬，王金清，楊生榮，孔祥正.石墨烯-聚酰亞胺復合薄膜的制備及性能表征[J].高分子學報，2014，11：1472-1478.

[2]白樹林，趙云紅.石墨烯熱學性能及表征技術[J].力學進展，2014，00：236-259.

[3]耿浩，李金華，劉宣勇.石墨烯在表面工程領域的研究進展[J].中國表面工程，2015，01：4-14.

[4]肖淑娟，于守武，譚小耀.石墨烯的制備及其性能表征[J].塑料科技，2015，06：30-35.