本发明专利技术公开了一种石墨烯基金属化合物纳米阵列材料制备与应用，属于功能纳米材料的制备技术领域。将碳前躯物与金属盐混合物研磨后涂覆在泡沫镍基材上，在惰性气氛中热处理，通过洗涤得到石墨烯阵列材料。将石墨烯阵列材料通过溶液生长或电化学沉积和煅烧等手段可得到石墨烯基金属化合物纳米阵列材料。该方法制备的纳米阵列材料具有高导电率、快速离子传输通道以及高活性位点等物理特性，在能源存储与转换和电化学催化反应中，表现出长使用寿命、高容量的电存储性能和优异的电化学催化活性与稳定性。整个材料的制备流程简单，反应中无有毒产物生成，能耗低，绿色环保，适合工业化大规模生产。
【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯基金属化合物纳米阵列材料制备与应用
本专利技术涉及一种可作为能源存储材料与电化学催化材料的石墨烯基金属化合物纳米阵列材料的规模化制备方法，属于功能纳米材料的制备
技术介绍
随着环境和能源问题的日益突出，以及替代性清洁能源的发展，高性能电存储器件得到广泛关注，成为我国十三五计划重点提出的研究方向。新型能源存储材料与高效电化学催化材料，成为推动高性能储能器件开发与应用的重要支柱。现如今，锂电池和氢能源的发展在市场中已占有一席之地。锂电池现在已经广泛应用于电动车、手机、电脑和一些可穿戴设备中。随着新能源产业的不断发展，锂电池的市场需求会进一步扩大。氢气作为可替代化石燃料的清洁能源，由于其高质量能量密度、清洁、无毒、可再生、利用形式多元化等优点，已被广泛研究。作为能够将间歇可再生风和太阳能转化为可储存的化学能(即H2，CO2燃料)的清洁技术，电化学水分解已经引起了科学家的极大兴趣，努力探索有效策略，设计具有高活性、低成本和极好的稳定性锂电池和水分解的先进电极材料和电催化剂。石墨烯是一种新材料，由单片结构的碳原子组成，分子中的碳原子与sp2混合轨道由六角环状平面薄膜材料和二维蜂窝格构成，只有一个碳原子厚度。基于石墨烯的复合材料可以用于改善材料的物理特性，石墨烯复合材料具有优异的导电性、机械延展性和热传导性等，在纳米电场效应晶体管、储能和导热材料的制备中具有良好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：提供一种性能优异、工艺过程简单、环保、高性能电化学催化活性的功能纳米阵列材料的合成方法，克服了常规电池材料生产工艺复杂，能耗高，成本高等缺点。制备得到的石墨烯基金属化合物纳米阵列材料性能稳定、容量高、使用寿命长，不仅可以应用于能量存储与转换(例如金属离子电池、金属空气电池、超级电容器)，且其在电解水析氢析氧反应中具有重要的应用。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案是：一种石墨烯基金属化合物纳米阵列材料制备方法，该制备方法包括以下步骤：a、将碳前躯物与金属盐ZnCl2/KCl混合研磨，所述碳前躯物为葡萄糖和三聚氰胺的混合物或1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺，将浆料涂覆在经过清洁的泡沫镍基材上，在惰性气氛中700～1000℃热处理≥0.5h，用稀酸水溶液、去离子水和无水乙醇洗涤后收集石墨碳纳米片CNS材料；b、将步骤a中获得的石墨碳纳米片CNS于稀硝酸盐溶液中室温静置6～60h或电化学沉积(沉积电压为-1V)，制备得到石墨烯基金属氢氧化物，石墨烯基氢氧化铁CNS@FeOOH、石墨烯基氢氧化钴CNS@CoOOH或石墨烯基氢氧化镍CNS@NiOOH；c、将石墨烯基金属氢氧化物CNS@FeOOH、CNS@CoOOH或CNS@NiOOH在氨气热处理，升温速率为2～15℃/min，速度升温≥500℃，保持1～5h，得到石墨烯基金属氮化物CNS@FeNx、CNS@CoNx或CNS@NiNx。优选的，所述步骤a中所用的碳前驱物与金属盐混合物ZnCl2/KCl的质量比为1:4:2。优选的，所述步骤a中的热处理条件的惰性气体为氮气或氩气。优选的，所述步骤b中的所用的溶液为10mmol/L～50mmol/L稀硝酸铁、硝酸钴或硝酸镍溶液。优选的，所述步骤b中的电化学沉积电压为-1V。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案是：所述的石墨烯基金属化合物纳米阵列材料应用，所述石墨烯基金属氢氧化物CNS@FeOOH、CNS@CoOOH或CNS@NiOOH，和石墨烯基金属氮化物CNS@FeNx、CNS@CoNx或CNS@NiNx纳米材料在能源存储与转换，金属离子电池、金属空气电池或超级电容器与电催化的应用。优选的，所述石墨烯基金属氢氧化物CNS@FeOOH、CNS@CoOOH或CNS@NiOOH，和石墨烯基金属氮化物CNS@FeNx、CNS@CoNx或CNS@NiNx可作为离子电池与电催化电极材料。优选的，所述纳米材料用作离子电池负极材料的制作方法，步骤如下：a.将工作电极石墨烯基金属氢氧化物CNS@FeOOH、CNS@CoOOH或CNS@NiOOH和石墨烯基金属氮化物CNS@FeNx、CNS@CoNx或CNS@NiNx纳米材料在50～65℃真空干燥箱中烘干≥24h；b.以金属锂片为正极，以1.0MLiPF6inEC:DMC:EMC＝1：1：1Vol％，体积比为1:1:1的EC、DMC、EMC混合溶液中含有1mol/L的LiPF6为电解液，以聚丙烯膜作为隔膜，在手套箱中组装纽扣电池。优选的，石墨烯基金属氢氧化物CNS@FeOOH、CNS@CoOOH或CNS@NiOOH，和石墨烯基金属氮化物CNS@FeNx、CNS@CoNx或CNS@NiNx可用作电极催化材料并可应用于电化学催化反应之中，氧气还原与析出或氢气析出反应，在室温条件下，于0.1～1.0M的KOH溶液的电解液中即可测试电化学催化活性。有益效果：与其他制备石墨烯基金属化合物纳米材料方法相比，本专利技术制备的纳米阵列材料方法简单，泡沫镍易获取，而且制备反应过程中没有害气体排放到大气中，符合绿色化学的理念。保温、煅烧过程都是低能耗，耗时短，简单的操作阶段，可大规模的生产，适合工业化应用。除此之外，以活性物质石墨烯基金属氢氧化物(CNS@FeOOH，CNS@CoOOH,CNS@NiOOH)和石墨烯基金属氮化物(CNS@FeNx，CNS@CoNx,CNS@NiNx)纳米材料的面积作为有效面积，在不同的电流密度下，该电极材料表现出了较好的电池性能数据结果。在电流密度为0.45A/cm2的情况下，该电极材料的充放电容量达8mAh/cm2，高于市场商业应用的其他锂电池。这些性能符合材料低成本生产的实际应用。附图说明下面结合附图对本专利技术的作进一步说明。图1为本专利技术实施例5中的一种石墨烯碳纳米片(CNS)的扫描电镜图像；图2为本专利技术实施例5中的一种石墨烯基金属氢氧化物的扫描电镜图像；图3为本专利技术实施例5中的一种石墨烯基金属氮化物的扫描电镜图像；图4为本专利技术实施例6中的一种石墨烯基金属氢氧化物的扫描电镜图像；图5为本专利技术实施例1中的一种石墨烯基金属氮化物的X射线衍射图像；图6为本专利技术实施例5中制备的石墨烯基金属氮化物CNS@FeNx在不同电流密度下的下得到的金属离子电池的电化学循环稳定性图像；图7为本专利技术实例5中制备的石墨烯基金属氮化物CNS@FeNx在电流密度为0.4A/cm2下下得到的金属离子电池的电化学循环稳定性图像；具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明本专利技术的技术解决方案，这些实施例不能理解为是对技术解决方案的限制。一、石墨烯基碳纳米片(CNS)纳米阵列材料的制备：步骤一：将碳前躯物(例如1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺)与金属盐(例如ZnCl2/KCl)按照一定比例混合研磨(例如0.5g/2g/1g)；步骤二：将混合均匀的浆料涂覆在经过清洁的泡沫镍基材上；步骤三：在惰性气氛(例如氮气、氩气)中700～1000℃热处理0.5小时或者以上；步骤四：依次用稀酸水溶液、去离子水和无水乙醇溶液洗涤数遍，放于60℃的真空干燥箱干燥，收集石墨碳纳米片(CNS)基底材料。二、石墨烯基金属氢氧化物(例如CNS@FeOOH，CNS@CoOOH,CNS@NiOOH)纳米阵列材料的制本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种石墨烯基金属化合物纳米阵列材料制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：a、将碳前躯物与金属盐ZnCl
【技术特征摘要】
1.一种石墨烯基金属化合物纳米阵列材料制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：a、将碳前躯物与金属盐ZnCl2/KCl混合研磨，所述碳前躯物为葡萄糖和三聚氰胺的混合物或1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺，将浆料涂覆在经过清洁的泡沫镍基材上，在惰性气氛中700～1000℃热处理≥0.5h，用稀酸水溶液、去离子水和无水乙醇洗涤后收集石墨碳纳米片CNS材料；b、将步骤a中获得的石墨碳纳米片CNS于稀硝酸盐溶液中室温静置6～60h或电化学沉积，制备得到石墨烯基金属氢氧化物，石墨烯基氢氧化铁CNS@FeOOH、石墨烯基氢氧化钴CNS@CoOOH或石墨烯基氢氧化镍CNS@NiOOH；c、将石墨烯基金属氢氧化物CNS@FeOOH、CNS@CoOOH或CNS@NiOOH在氨气热处理，升温速率为2～15℃/min，速度升温≥500℃，保持1～5h，得到石墨烯基金属氮化物CNS@FeNx、CNS@CoNx或CNS@NiNx。2.根据权利要求1所述的石墨烯基金属化合物纳米阵列材料制备方法，其特征在于：所述步骤a中所用的碳前驱物:ZnCl2:KCl的质量比为1:4:2。3.根据权利要求1所述的石墨烯基金属化合物纳米阵列材料制备方法，其特征在于：所述步骤a中的热处理条件的惰性气体为氮气或氩气。4.根据权利要求1所述的石墨烯基金属化合物纳米阵列材料制备方法，其特征在于：所述步骤b中的所用的溶液为10mmol/L～50mmol/L稀硝酸铁、硝酸钴或硝酸镍溶液。5.根据权利要求1所述的石墨烯基金属化合物纳米阵列材料制备方法，其特征在于：所述步骤b中的电化学沉积电压为-1V。6.一种根据权利要求1所述的石墨烯基金属化合物纳米阵列材料应用，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱纪欣，张瑶，黄维，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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