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1、有序的三元自组装电化学能量存储的金属氧化物石墨烯纳米复合王东涵，孔荣，材料Daiwon Cho,杨振国，Zimin Nie,李娟，Laxmikant V. Saraf 胡德红，张继光,刘军， Gordon L. Graff， Michael A. Pope, Ilhan A. Aksay摘要：表面活性剂或者聚合物已经广泛研究自组装的制备金属氧化物纳米材料，半导体，聚合物，但这种 方法大多局限于两相材料，有机/无机杂化材料，和纳米颗粒或聚合物基纳米复合材料。从更复杂的、多尺 度的纳米结构和多相的建筑进行研究调查，都限制成功。我们展示了一个三元自组装的方法石墨烯纳米复 合材料，其中使用石墨作为构建
2、有序的金属氧化物的基本建筑模块。一类新的纳米复合材料的形成，包括 用石墨或石墨烯栈来形成的纳米金属氧化物的稳定有序交替层。另外，石墨或石墨烯堆栈可以纳入液晶模 板来形成高表面积，导电网的纳米多孔结构。自组装方法也可以用于制造无支撑的，灵活的金属氧化物 石墨烯纳米复合薄膜和电极。我们已经研究了自组装电极能量存储的锂离子附着的性质，并且也表明了二 氧化锡石墨烯纳米复合材料薄膜在没有显著地充电/放电降解的情况下，可以获得与确切的理论能量密度 值相接近。关键词：纳米复合材料，有序的，石墨烯，锂离子电池 材料已经受广泛关注，由于他们与不同模块相结合的潜能来提高机械、光电磁学的性质【1-6】。纳米复合 材
3、料大多数是依靠机械和化学混合的传统符合方法，并其产生组成相的随机分布。为了解决这些问题，几 个研究小组最近调查的层层沉积和其他技术来制备层状纳米复合材用制陶、粘土和石墨烯氧化物纳米薄膜 【7-9】，但这些方法在纳米空间精度上有缺陷，在散装材料合成上既费时又费力。另一方面，生物系统具 有丰富的纳米复合材料，拥有多尺度、多功能的建筑模块能很好的控制框架。一个获得类似的控制的强大 方法是使用两性聚合物或者表面活性剂直接自组装纳米结构金属氧化物、导体、聚合物材料【11-15】。对 官能团组件插入到自组装的纳米结构上越来越感兴趣，如官能团，聚合物， 纳米微粒，但若取得成功在两 相的无机有机杂化材料、纳米
4、颗粒、基于聚合物纳米复合材料上有缺陷。最近，包括碳纳米管【18-21】和石墨烯【22-24】，纳米建筑模块的安排，已经取得了显著进展。石墨 和石墨堆（多层石墨烯），潜在的低成本替代材料单壁和多壁 碳纳米管，具有独特的电子 电导率和机械 性能【25-27】，聚合物，金属基纳米复合材料的石墨烯，或金属氧化物也显示出独特的机械，电子，和电 化学性能【23,28-35】。我们关注金属氧化物（例二氧化锡、氧化镍、二氧化锰和二氧化硅）纳米复合材 料能提高电化学能量存储的应用【36.37】。低导热率和这些材料的稳定性差，通常需要添加导电相来提高 电极的电子传递活性材料的电接触 一种锂离子电池。在这些大部分研
5、究中， 该方法用于制备了复合材料 机械混合金属氧化物与导电材料 如无定形碳，碳纳米管，石墨薄膜和石墨烯【 37、38】。尽管这些研究 中，导电材料和金属氧化物的良好可控制结构是很难实现的，由于通过机械混合的方法使多相混合不均匀。我们认为，对于控制多相的金属氧化物和纳米建筑模块的策略 如石墨为确定性自组装的纳米结构材料 将开启新的纳米复合材料的设计与合成的机遇。作为一个概念，我们报道基于基于金属氧化物，表面活性 剂和石墨的三元自组装的方法来生产很好控制的有序的金属氧化物和石墨或石墨烯堆栈所组成的纳米复合 材料。我们表示这种方法应用于一系列的金属氧化物材料，并且表明电化学性质大大提高。我们使用的F
6、GSs的制备是通过氧化石墨烯的热膨胀方法。当FGSs制备时，FGSs包含大约80%的 单片石墨烯依附于石墨烯的堆叠像先前所描述的那样【39、40】。尽管通过沉淀的方法会消除材料的堆叠 部分，这种堆叠不能阻止我们实现三元自组装的纳米结构的目标。纯净的石墨烯本质上是疏水性的，和它 的表面化学和很多亲水性金属氧化物不兼容的。报到了许多方法修改石墨烯的表面和提高在复合材料中的 色散，主要是通过氧化石墨烯的表面或者利用表面活性剂，聚合物，或芳香族分子作为分散剂【44-47】的 功能【41-43】。我们更愿意从事于表面活性剂工作因为他们不仅协助的石墨烯材料的色散（石墨或堆叠的 石墨烯）在水介质中，而且也指
7、导金属氧化物纳米结构的自组装成纳米结构。我们使用阴离子表面活性剂 吸附到FGSs的表面来确保石墨烯材料被分散到表面活性剂胶束的疏水性区域（图1A）。伴有FGSs的表 面活性剂胶束成为自组装的基础建筑模块。表面活性剂组装到FGSs与金属阳离子结合，形成一个有序的 纳米复合材料（图1B）。金属氧化物在FGSs之间结晶，产生一个新的类纳米复合材料中，石墨烯/交替 层石墨堆和金属氧化物纳米晶体被组装成层状纳米结构（图1C）。有选择性地，金属氧化物可以用表面活 性剂自组装到六方介孔石墨烯的表面上，或者使用非离子型共聚物表面活性剂堆积到石墨烯表面【51、52】， 这样就可以获得六方介孔金属氧化物石墨烯纳米复合材料（图 1D）。结果与讨论三元自组装的纳米复合材料结构的制备特点是通过透射电子显微镜TEM, X射线衍射XRD，和电子 显微镜的扫描SEM.图2表明在SnO2石墨烯和NiO石墨烯纳米复合材料的
