一种具有良好储能性能的氮掺杂碳纳米片材料制造技术

本发明专利技术公开了高温固相法制备一种新型的氮掺杂碳纳米片超薄材料制备方法及其在储能领域的应用，其特征在于：所述材料由氮原子掺杂到碳纳米薄片的内部，形成氮原子掺杂的功能化储能材料。以草酸钾和尿素为基本原料，用球磨机混合均匀后，在一定的温度制度下，制备出初级产物，经过去离子水和无水乙醇洗涤离心去除杂质后，真空烘干收集。该方法与其他方法相比，属于首创，具有操作工艺简单，环保绿色等优点，适合企业进行大规模化生产。将其作为电极材料组装成超级电容器，以碱性KOH为电解液，表现出优异的电容存储性能，这种掺杂结构对于提高材料的电化学性能具有重压的促进作用。

Nitrogen doped carbon nanosheets with good energy storage properties

The invention discloses a novel preparation method of nitrogen-doped carbon nano-sheet ultrathin material by high-temperature solid-state method and its application in the field of energy storage, which is characterized in that the material is doped into the interior of the carbon nano-sheet by nitrogen atoms to form a nitrogen atom-doped functional energy storage material. Using potassium oxalate and urea as basic materials, the primary products were prepared by mixing homogeneously with a ball mill under a certain temperature system. After washing and centrifuging with deionized water and anhydrous ethanol, the impurities were removed and collected by vacuum drying. Compared with other methods, this method is the first one, which has the advantages of simple operation and environmental protection, and is suitable for large-scale production of enterprises. Supercapacitors were fabricated by assembling them as electrode materials and using basic KOH as electrolyte, which exhibited excellent capacitive storage performance. This doping structure could promote the electrochemical performance of the materials under heavy pressure.

【技术实现步骤摘要】
一种具有良好储能性能的氮掺杂碳纳米片材料
本专利技术涉及一种氮掺杂碳纳米薄片材料及其制备方法和储能领域的应用，特别是涉及一种合理的温度制度制备氮掺杂碳纳米薄片的方法和在储能领域的应用。
技术介绍
近年来碳材料作为一种优异稳定的储能材料受到了人们的广泛关注。由碳材料制备成的电极材料已经在不同类型的储能器件中得到了应用，并且取得了良好的效果，但是一般的碳材料作为储能器件的电极材料，其提供的能量密度较小，不能满足人们对大容量储能器件的要求，因此通过对碳材料进行掺杂改性，可以提高碳材料的存储容量。所谓的氮掺杂就是通过化学方法，将氮原子引入到材料的晶格内部，一般是占据晶格空位或取代其他晶格原子形成固溶体，氮掺杂可以使材料的晶格发生变形产生缺陷，而缺陷处往往能量较高，可以提供更多的活性位点，增强材料的电化学性能；同时氮掺杂还可以改变材料本身的能带结构，减小价带能隙，提高材料的导电性，最终也有利于材料储能性能的提高。因此，氮掺杂的碳材料比一般的碳材料具有更高的应用价值。相比于其他复杂的氮掺杂方法，本实验采用的高温固相法，工艺过程简单、绿色环保，易于进行大规模工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种简单的高温固相法来制备氮掺杂的碳纳米薄片材料，并能显著提高碳材料的储能性能。所得材料物理化学性质及其稳定，且具有良好的存储容量的性能。实现本专利技术所采用的技术方案为：使用高温固相法制备新型氮掺杂碳纳米薄片材料，该方法使用的基体材料是碳纳米片材料，相比于价格高昂的石墨烯材料，在商业化生产中具有明显的价格优势，高温固相可以将氮原子成功掺杂到碳纳米薄片材料中，并且作为超级电容器的电极材料，具有良好的储能性能。本专利技术提供的一种氮掺杂碳纳米片材料的制备方法包括如下：（1）用天平称取一定量的草酸钾和一定量的尿素固体，置于100ml的球磨罐中，在200rpm转速下，混合球磨2h。（2）用天平称取步骤（1）中的混合物2g放置到瓷舟中，在氩气氛围下，5℃/min的升温速率下加热到550℃，随后保温4h，接着在2℃/min的升温速率下，升温至900℃，继续保温2h，最后自然冷却到室温，并用玛瑙研钵研磨收集。（3）用量筒量取10ml的浓盐酸加入到110ml的去离子水中，配置成1mol/L的HCl溶液，随后将步骤（2）的粉末逐渐加入到HCl溶液中，并用玻璃棒不断搅拌，待粉体全部加入后，静置2h。（4）用去离子水和无水乙醇多次离心洗涤上述溶液，并将收集到的产物放入到120℃的真空干燥箱中烘干24h，最后研磨后收集，即为最终产物。上述步骤中，步骤（1）中草酸钾和尿素的质量比为1:1。步骤（4）中所述离心机的速度为10000rpm，去离子水洗涤5次，无水乙醇洗涤3次。本专利技术提供一种氮掺杂碳纳米片材料切具有良好的电化学性能；将电极材料组装成超级电容器，以1M的KOH溶液为电解液，在不同的电流密度下，对材料进行充放电性能测试。本专利技术所使用的原料为草酸钾，原料来源广泛，价格店低廉，可以有效降低成本，批量进行生产，具有很高的应用前景和使用价值。附图说明：图1为氮掺杂碳纳米薄片的Raman图谱。图2为氮掺杂碳纳米薄片的SEM图片。图3为氮掺杂碳纳米薄片的比容量与电流密度图。具体实施方式：下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用材料、试剂等，如无特殊说明，均为商业途径得到。本专利技术下述实施例中，所使用的反应初始物为市售分析纯的草酸钾、尿素，电解液为自行配置的KOH溶液。下述实施例中，采用美国ThermoFisher的激光拉曼光谱，测试的分级多孔碳纳米片的形貌采用日本理学的JEOL-JEM-7001F，电化学测试仪器为上海辰华的760E，电解液为1MKOH溶液。实施例1、通过调节草酸钾和尿素的比例制备氮掺杂碳纳米片（1）用天平称取一定量的草酸钾和一定量的尿素固体，置于100ml的球磨罐中，在200rpm转速下，混合球磨2h。（2）用天平称取步骤（1）中的混合物2g放置到瓷舟中，在氩气氛围下，5℃/min的升温速率下加热到550℃，随后保温4h，接着在2℃/min的升温速率下，升温至900℃，继续保温2h，最后自然冷却到室温，并用玛瑙研钵研磨收集。（3）用量筒量取10ml的浓盐酸加入到110ml的去离子水中，配置成1mol/L的HCl溶液，随后将步骤（2）的粉末逐渐加入到HCl溶液中，并用玻璃棒不断搅拌，待粉体全部加入后，静置2h。（4）用去离子水和无水乙醇多次离心洗涤上述溶液，并将收集到的产物放入到120℃的真空干燥箱中烘干24h，最后研磨后收集，即为最终产物。本实施案例中，步骤（1）中草酸钾和尿素的质量比为1:1。步骤（4）中离心机的速度为10000rpm，去离子水洗涤5次，无水乙醇洗涤3次。图1是实施例1制备的氮掺杂的碳纳米片的Raman图谱，图中显示出D、G以及2D等较为明显的碳峰，且D峰的强度比G峰高，说明材料的表面的发生了改变，表面产生了缺陷和空位，这表明氮原子已经掺杂到材料的内部。图2是实施例1制备的氮掺杂碳纳米片的扫描电镜图片，由图2可知氮掺杂碳纳米薄片材料具有稳定的形貌，碳纳米薄片形貌规则，具有层状结构，同时边缘处有褶皱产生，符合氮掺杂过后的表面形貌的改变。图3为电极材料的电化学性能测试图，以泡沫镍为电极基体，采用1mol/LKOH为电解液为，本将该材料组装成超级电容器器件，通过恒流充放电曲线，计算出该材料在不同电流密度下的比容量。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温固相法制备的新型氮掺杂碳纳米薄片的制备方法，包括如下步骤：（1）用天平称取一定量的草酸钾和一定量的尿素固体，置于100 ml的球磨罐中，在200 rpm转速下，混合球磨2 h；（2）用天平称取步骤（1）中的混合物2 g放置到瓷舟中，在氩气氛围下，5℃/min的升温速率下加热到550℃，随后保温4 h，接着在2℃/min的升温速率下，升温至900℃，继续保温2 h，最后自然冷却到室温，并用玛瑙研钵研磨收集；（3）用量筒量取120 ml的浓盐酸加入到110ml的去离子水中，配置成1mol/L的HCl溶液，随后将步骤（2）的粉末逐渐加入到HCl溶液中，并用玻璃棒不断搅拌，待粉体全部加入后，静置2 h；（4）用去离子水和无水乙醇多次离心洗涤上述溶液，并将收集到的产物放入到120℃的真空干燥箱中烘干24 h，最后研磨后收集，即为最终产物。

【技术特征摘要】
1.一种高温固相法制备的新型氮掺杂碳纳米薄片的制备方法，包括如下步骤：（1）用天平称取一定量的草酸钾和一定量的尿素固体，置于100ml的球磨罐中，在200rpm转速下，混合球磨2h；（2）用天平称取步骤（1）中的混合物2g放置到瓷舟中，在氩气氛围下，5℃/min的升温速率下加热到550℃，随后保温4h，接着在2℃/min的升温速率下，升温至900℃，继续保温2h，最后自然冷却到室温，并用玛瑙研钵研磨收集；（3）用量筒量取120ml的浓盐酸加入到110ml的去离子水中，配置成1mol/L的HCl溶液，随后将步骤（2）的粉末逐渐加入到HCl溶液中，并用玻璃棒不断搅拌，待粉体全部加入后，静置2h；（4）用去离子水和无水乙醇多次离心洗涤上述溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：张松利，梁智萍，
申请(专利权)人：镇江海利新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32