一种石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方及制备方法与流程

本发明属于化工材料，具体涉及一种石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方及制备方法。

背景技术：

1、1963年，苏联科学家发现纳米金刚石，也就是超微金刚石(ultradispereddiamond，简称udd)可以从碳基炸药所产生的核爆炸中诞生。自此之后，人们便开始利用爆轰法制备这种极具应用前景的材料。虽然水热合成、离子轰击、微波等离子体化学气相沉积技术等工艺也能获得纳米金刚石，但爆轰法与它们相比，反应速度更快、效率更高、能节省能源，目前已成为纳米金刚石的主要工业生产方式之一。

2、爆轰纳米金刚石的制备方式为将具有爆轰性的三硝基甲苯和作为白色结晶性非水溶性爆轰成分的环三亚甲基三硝胺按规定的比率进行混合，当上述经过混合的爆轰物质进行反应时，在瞬间发生的高温高压气氛下，组合物的碳成分生成金刚石结晶状的核(碳的sp3结构)，上述核生长成规定的大小，并且在石墨(sp2结构)的表面存在由c、o、h及n组成的单个及多个官能团。由于爆轰纳米金刚石的爆轰反应过程非常短，并且在爆轰的同时引起收缩，因此生成的多个单金刚石粒子的强力凝聚的现象而存在不仅很难分离为单一粒子或多个粒子群集，而且难以对包含于上述凝聚的金刚石粒子的内部的杂质进行纯化的缺点。现有技术中纯化过程通常使用存在杂质被混入的隐患的酸(例如，硫酸、盐酸、高锰酸钾等)或强碱，纯化过程中也存在混入金属杂质的问题。因此亟需一种高纯度、单粒子状的纳米金刚石的制备方法。

3、锂离子电池作为一种新型的绿色能源，广泛应用于电动汽车、手机、电脑等领域。锂离子电池的正极材料直接影响电池的安全、能量密度、可加工性等关键性能。但是现有的锂离子电池的循环稳定性并不理想，不能满足人们对电池的能量密度提出了越来越高的要求，提升锂离子电池的循环稳定性以及耐温性也是迫切需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方及制备方法，本发明制备的纳米金刚石分散度好，纯度高，添加到市售电解液中后，可以提供更多活性位点，制备成锂电池可以提升循环稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方，包括以下质量分数的原料：co1-5％、ni2-3％、la1-3％、cu0.3-0.8％、cr5-7％、三硝基甲苯50-55％，环三亚甲基三硝胺补足余量。

3、进一步地，包括以下质量分数的原料：co3.4％、ni2.5％、la2.6％、cu0.5％、cr6.2％、三硝基甲苯52％，环三亚甲基三硝胺补足余量。

4、本发明还提供了石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)根据配方称取原料，混合后搅拌均匀，将原料压制成型，形状与反应容器内部空腔的形状一致，密度为3-5吨/m2，体积与反应容器内部空腔的体积比为1:60-65；

6、(2)将原料装入反应容器，所述反应容器中为氮气环境，使用雷管触发原料进行反应，合成反应产物；

7、(3)将质量比1:10-13的反应产物和去离子水混合，加热至85℃搅拌30-40min，继续加入与去离子水等体积的乙醇，使用nh4oh将ph调节为9，进行超声波处理，超声波在2.5-3khz条件下超声2.4-2.6h；采用高转速离心设备，转速为25000转/分钟，时间50-100秒，得到超声处理的纳米金刚石；

8、(4)将超声处理的纳米金刚石在氮气氛围下1200℃加热1.5-2h；再在紫外uv照射下处理30-40s，制得石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

9、进一步地，所述紫外uv照射的灯管250w。

10、进一步地，所述石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料粒径尺寸为2～5nm。

11、进一步地，密度为4吨/m2。

12、进一步地，体积与反应容器内部空腔的体积比为1:62。

13、进一步地，超声波在2.8khz条件下超声2.5h。

14、进一步地，质量比1:12的反应产物和去离子水混合。

15、进一步地，加热至85℃搅拌35min。

16、通过爆轰法制备的纳米金刚石具有金刚石和纳米材料的双重特性，不仅具备金刚石的超高硬度、良好的化学稳定性和耐磨性等特性，还具备纳米材料特有的比表面积大和量子效应等特点，其热、磁、光、电特性不同于正常粒子，从而使其在机械加工、光学、生物学、医学等领域有着广泛的应用。将纳米金刚石添加到电解质体系中，也成为改善电池循环性能的一个重要途径，使用纳米金刚石可以增加锂的吸附、提高可逆容量及锂离子传输速率。在锂离子电池的应用领域受到越来越多的关注。但是使用市售的纳米金刚石制备的电池的循环稳定性能并不理想，尤其是高低温下的循环稳定性直接限制了纳米金刚石在电池中的应用。

17、本发明通过爆轰法制得的纳米金刚石颗粒表面的缺陷更少，纯化更容易，但是由于纳米金刚石比表面积大，吸附在表面的官能团较多，而现有的处理方法通常使用试剂进行酸化、氧化、碱化，会导致纳米金刚石表面还可能引入杂质金属、吸附硫酸根离子或氯离子，上述官能团的存在，改变了纳米金刚石的表面电位，使纳米金刚石颗粒发生团聚，从而导致纳米金刚石的优异特性无法充分发挥，严重限制了纳米金刚石在电解质体系中的应用。而本发明的超声分散条件不引入金属离子或硫酸根离子或氯离子等，保证了纯化的效果，提升了分散性。

18、更进一步地，爆轰法制得纳米金刚石表面包覆的石墨烯并不均匀。本发明将超声分散后的纳米金刚石材料进行表面修饰，先通过高温煅烧纳米金刚石表面可以二次包覆石墨烯，再通过紫外照射，得到最终产物石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。本发明制得的纳米金刚石材料在市售电解液中可以实现解团聚且稳定分散，为锂离子提供更多存储位点，改善了锂离子的快速吸附和脱附能力，实现了锂离子电池循环稳定性的提升。

19、与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：

20、1、本发明的目的是提供一种石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方及制备方法，本发明制备的纳米金刚石分散度高，添加到市售电解液中分散均匀，制备成锂电池可以提升循环稳定性。

21、2、本发明通过爆轰法制得的纳米金刚石颗粒表面的缺陷更少，纯化更容易，本发明的超声分散条件不引入金属离子或硫酸根离子或氯离子等，保证了纯化的效果。

22、3、本发明制得的纳米金刚石材料在市售电解液中可以实现解团聚且稳定分散，为锂离子提供更多存储位点，改善了锂离子的快速吸附和脱附能力，实现了锂离子电池循环稳定性的提升。

技术特征：

1.一种石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方，其特征在于，包括以下质量分数的原料：co1-5％、ni2-3％、la1-3％、cu0.3-0.8％、cr5-7％、三硝基甲苯50-55％，环三亚甲基三硝胺补足余量。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方，其特征在于，包括以下质量分数的原料：co3.4％、ni2.5％、la2.6％、cu0.5％、cr6.2％、三硝基甲苯52％，环三亚甲基三硝胺补足余量。

3.权利要求1或2所述的石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中紫外uv照射的灯管250w。

5.根据权利要求3所述的石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料粒径尺寸为2～5nm。

6.根据权利要求3所述的石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中密度为4吨/m2。

7.根据权利要求3所述的石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中体积与反应容器内部空腔的体积比为1:62。

8.根据权利要求3所述的石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中超声波在2.8khz条件下超声2.5h。

9.根据权利要求3所述的石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中质量比1:12的反应产物和去离子水混合。

10.根据权利要求3所述的石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中加热至85℃搅拌35min。

技术总结本发明属于化工材料技术领域，提供了一种石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方及制备方法，所述石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方包括以下质量分数的原料：Co1‑5％、Ni2‑3％、La1‑3％、Cu0.3‑0.8％、Cr5‑7％、三硝基甲苯50‑55％，环三亚甲基三硝胺补足余量。本发明通过爆轰法制得的纳米金刚石颗粒表面的缺陷更少，纯化更容易，同时，本发明超声分散条件不引入金属离子或硫酸根离子或氯离子等杂质，保证了纯化的效果。本发明制得的纳米金刚石材料在市售电解液中可以实现解团聚且稳定分散，为锂离子提供更多存储位点，改善了锂离子的快速吸附和脱附能力，实现了锂离子电池循环稳定性的提升。技术研发人员：郭鉴豪受保护的技术使用者：广东启现智能家具有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11