氮掺杂石墨烯分散成膜的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂石墨烯分散成膜的制备方法及应用。该薄膜主要是通过成膜技术处理氮掺杂石墨烯分散液而形成，该分散液包含氮掺杂石墨烯、阴离子染料及溶剂。本发明专利技术首次采用阴离子有机染料对氮掺杂石墨烯进行分散，可达成长期均匀稳定分散效果，利于后续成膜工艺，并可利用现有的任一种氮掺杂石墨烯作为原料，还可根据不同需求制备不同厚度、不同尺寸的氮掺杂石墨烯薄膜，工艺简单、成本低廉、反应时间短、效率较高且无毒、对环境污染小，且所获产品具有非常好的三维结构和高比表面积，可以广泛应用于电子器件、复合材料、传感、生物分析、储能材料等领域，特别是应用于制备柔性及非柔性超级电容器、柔性锂离子电池和燃料电池等储能装置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种石墨烯基材料，特别涉及一种。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是一种零能隙半导体材料，将其应用于微电子器件需对其带隙或载流子浓度等进行调节。化学掺杂是实现调控材料物理、化学性质的一种有效方法，如通过富电子或缺电子的元素或分子化学掺杂石墨烯材料，可以调控石墨烯的载流子浓度，从而实现对其能带宽度和催化性质等物理化学性能的调控。理论研究结果表明，在石墨烯片层中引入如N、B等杂原子可以有效地将石墨烯从零带隙的半金属转变成半导体，形成η-型或P-型掺杂的石墨烯，预示了掺杂石墨烯在光学、电学、磁学等领域的潜在应用前景。此后，众多实验科学家致力于石墨烯的化学掺杂方法研究。有通过化学气相沉积(CVD)方法，以甲烷气体作为碳源，氨气作为氮源，以沉积在硅基底表面的25nm铜膜为催化剂，在800°C的高温下保持10分钟，制得了少数几层氮掺杂石墨烯。还有采用电热反应的方法，以氨■气为氣源，将氣原子取代石墨稀晶格中的碳原子，制备了氣惨杂石墨稀；以氧化石墨稀为起始原料和氨气为氮源，通过高温退火同时实现GO的还原和氮的掺杂，制得氮掺杂石墨烯；以氧化态石墨和三聚氰胺为反应原料高温退火法制备氮掺杂石墨烯的方法；以氧化石墨烯分散液为起始原料和不同的氮源，通过水热法或溶剂热法，制备氮掺杂石墨烯以及水凝胶。此外，还有使用电弧放电方法制备硼或氮掺杂石墨烯。然而现有的氮掺杂石墨烯薄膜的制备仅限于将氧化石墨烯事先成膜，然后通过高温退火在氨气为氮源的前提下同时实现氮的掺杂和氧化石墨烯的还原，从而制得氮掺杂石墨烯薄膜。此方法需采用高温退火等专业设备，还需使用腐蚀性的氨气等，其制备条件苛亥|J、成本高、危险性大，故不适宜大规模生产。另外，热退火法所制备的氮掺杂石墨烯比表面积小，限制了所制备产物的推广使用。当前，发展快速、简单、绿色和高效制备氮掺杂石墨烯薄膜的方法已经称为业界的研究热点和重点之一。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种氮掺杂石墨烯薄膜及其制备方法，其具有成本低、快速、高效等特点，从而克服了现有技术中的不足。本专利技术的目的之二在于提供前述氮掺杂石墨烯薄膜的应用，特别是在储能装置中的应用。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案: 一种氮掺杂石墨烯薄膜，主要是通过成膜技术处理氮掺杂石墨烯分散液而形成，所述氮掺杂石墨烯分散液包含氮掺杂石墨烯、阴离子染料及溶剂，其中氮掺杂石墨烯与阴离子染料的质量比为1~400:1。—种氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，包括:取氮掺杂石墨烯均匀分散于含阴离子染料的溶剂中，形成氮掺杂石墨烯分散液， 以及，利用成膜技术处理所述氮掺杂石墨烯分散液，形成所述氮掺杂石墨烯薄膜。进一步的，所述溶剂包括水或有机溶剂，所述阴离子染料可选自但不限于甲基橙、伊红、刚果红、藻红、苯胺黑、苦味酸、酸性复红中的任意一种或两种以上的组合。前述的任一种氮掺杂石墨烯薄膜在制备储能装置中的应用，所述储能装置包括电容器或电池。一种储能装置，包括正、负电极，隔膜和电解液，并且，至少所述正或负电极包含前述的任一种氮掺杂石墨烯薄膜。进一步的，所述储能装置包括但不限于柔性及非柔性超级电容器、柔性锂离子电池或燃料电池。与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括: (I)首次采用阴离子有机染料对氮掺杂石墨烯进行分散，可达成长期均匀稳定分散效果，为后续成膜工艺提供了必要的前提条件，有效解决了氮掺杂石墨烯分散问题，且现有的任何一种方法制备而得的氮掺杂石墨烯均可作为本专利技术的原料应用，并可根据不同需求制备不同厚度、不同尺寸大小的氮掺杂石墨烯薄膜，所获产物有着非常好的三维结构，为在电子储能方面的应用提供了高比表面积，可以广泛应用于电子器件、复合材料、传感、生物分析、储能材料等领域。(2)本专利技术的制备方法简便易行，反应过程易于控制、安全、成本低，易于推广使用。【附图说明】图1a-1b分别是实施例1所获氮掺杂石墨烯水凝胶的光学图片。图2a_2b分别是实施例1所获氮掺杂石墨烯冷冻干燥后的SEM图片。图3是实施例1所获氮掺杂石墨烯的元素分析图谱。图4是实施例1所获氮掺杂石墨烯-甲基橙水分散液的照片。图5a_5b分别是实施例1所获氮掺杂石墨烯薄膜的光学图片。图6a_6b分别是实施例1所获氮掺杂石墨烯薄膜的SEM图片。【具体实施方式】如前所示，鉴于现有氮掺杂石墨烯分散成膜方法中存在的难度大、生产成本高、反应所需设备复杂、反应条件苛刻、产量低、难以工业化生产等技术问题，本案专利技术人经长期研究和实践后，提供了一种氮掺杂石墨烯分散成膜的方法，其工艺流程主要包括:一、制备氮掺杂石墨烯原料；二、将氮掺杂石墨烯原料分散于溶剂中，制备一定溶度的稳定分散液；三、利用不同形式进行成膜，即得柔性的氮掺杂石墨烯薄膜。进一步的讲，本专利技术的氮掺杂石墨烯分散成膜的方法包括如下步骤: 利用不用制备方法制备氮掺杂石墨烯原料，然后将其稳定分散于阴离子有机染料的水溶液或有机溶液中，在利用不同的成膜技术制备不同厚度、不同尺寸大小的氮掺杂石墨烯薄膜。前述氮掺杂石墨烯原料的制备方法包括但不限于水热法、溶剂热法、化学气相沉积法、液相浸溃法、煅烧法、微波法中的一种或几种，这些方法的【具体实施方式】均可见诸于在本专利技术之前公布的相关文献中。前述阴离子有机染料包括但不限于甲基橙、伊红、刚果红、藻红、苯胺黑、苦味酸、酸性复红等的一种或几种。前述溶剂包括水或有机溶剂，例如可选自但不限于乙醇、异丙醇、正丁醇等。前述成膜技术包括但不限于真空抽滤法、旋涂法、喷涂法、提拉法、LB膜法、滚涂等的一种或几种。前述的氮掺杂石墨烯薄膜可用于制备储能装置，例如但不限于柔性及非柔性超级电容器的活性物质或集流体，柔性锂离子电池中的负极材料或集流体，或者燃料电池中的催化剂。以其在柔性及非柔性超级电容器和柔性锂离子电池中的应用为例，此类器件可当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂石墨烯分散成膜的制备方法，其特征在于它主要是通过成膜技术处理氮掺杂石墨烯分散液而形成，所述氮掺杂石墨烯分散液包含氮掺杂石墨烯、阴离子染料及溶剂。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘立伟，陈明亮，李伟伟，李奇，郭玉芳，邱胜强，廖书田，刘朝军，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32