负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的制备方法及超级电容器负极技术

本发明专利技术公开了一种负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的制备方法及超级电容器负极，采用小颗粒氧化铁纳米点作为负极活性物质，将其担载在氮掺杂石墨烯上作为负极材料，有效提高超级电容器的比容量。本发明专利技术采用有机铁盐作为铁源，合成的氧化铁粒子较传统无机铁盐合成的粒子更小，采用含氮溶剂对石墨烯进行分散处理时，溶剂中的氮原子和石墨烯结合，变成氮掺杂石墨烯，氮和铁的协同结合作用可有效的提高材料的电子云密度，从而提高电容器的容量。最后制备出的材料性能良好。

Preparation of Iron Oxide Nanodots/Nitrogen Doped Graphene as Anode Active Material and Supercapacitor Anode

The invention discloses a preparation method of iron oxide nano-point/nitrogen double-doped graphene as a negative active material and a negative electrode of supercapacitor, in which small iron oxide nano-point is used as a negative active material and loaded on nitrogen-doped graphene as a negative material, thereby effectively improving the specific capacity of supercapacitor. When graphene is dispersed with nitrogen-containing solvent, the nitrogen atom in the solvent binds to graphene and becomes nitrogen-doped graphene. The synergistic combination of nitrogen and iron can effectively improve the electronic cloud density of the material, thereby increasing the capacity of the capacitor. Finally, the prepared material has good properties.

【技术实现步骤摘要】
负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的制备方法及超级电容器负极
本专利技术涉及超级电容器领域，尤其涉及一种负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的制备方法及超级电容器负极。
技术介绍
随着科学技术的不断发展，先进的储能装置，如超级电容器，也面临着新的挑战。更高性能、更清洁环保的材料成为了新的诉求。在超级电容器中，与正极材料相比，对于负极材料的选择非常有限，研究也不够透彻。目前，一些金属氧化物/氢氧化物，铁基氧化物/氢氧化物和二元金属氧化物用作超级电容器的负极材料逐渐吸引了研究人员的兴趣。这些材料具有如下优点：(1)铁有多种价态和多种氧化还原态；(2)作为超级电容器中的负极材料，铁氧化物/氢氧化物具有宽的操作电位窗口和良好的循环稳定性；(3)与其他金属氧化物/氢氧化物相比，氧化铁/氢氧化物具有低毒性和环境友好性；(4)铁氧化物/氢氧化物制造成本低，铁是地球上最富有的过渡金属元素，因此价格低廉。但是金属氧化物自身导电性差，比表面积低，并不能满足超级电容器应用的要求。石墨烯具有较高的比表面积，具有良好的导电性，用作电极材料时具有良好的稳定性，二维(2D)结构使转移离子更加自由。因此，将石墨烯和金属氧化物结合起来作为超级电容器的负极材料为常用的方法。但是传统的石墨烯由于层间距较窄，而常规金属氧化物的颗粒又过大，两者结合力不佳，在实际应用过程中容易发生金属氧化物的溶出，从而影响材料的电化学性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的制备方法及超级电容器负极，采用小颗粒氧化铁纳米点作为负极活性物质，将其担载在氮掺杂石墨烯上作为负极材料，有效提高超级电容器的比容量。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的制备方法，包括如下步骤：(1)称取40～60mg的石墨烯加入到90～120mL分散质中，超声分散30～80min后得到混合物A；所述分散质为DMF和叠氮有机溶剂中的一种或两种的混合物；(2)向所述混合物A中加入Fe(C5H7O2)3溶液，超声处理20～40min后得到混合物B；(3)将所述混合物B转移到高压釜中，密封后将高压釜加热至170～210℃，反应5～9小时后将高压釜自然冷却至室温，取出其中的产物C；(4)将所述产物C依次用去离子水和乙醇反复洗涤至洗涤液呈中性后进行干燥，干燥温度50～70℃，干燥时间2～6小时，最终得到负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯。所述步骤(2)中的Fe(C5H7O2)3溶液体积为8～12mL，浓度为1～10mol/L。所述步骤(2)中的Fe(C5H7O2)3溶液体积为10～11mL，浓度为6～8mol/L。一种超级电容器负极，包括上述制备方法制得的负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯和活性炭布。所述活性炭布的制备方法包括以下步骤：(1)将炭布浸入到由20～40mLH2SO4和10～30mLHNO3组成的混合酸溶液中，控制搅拌速度为50～450r/min，搅拌1.5小时；(2)将步骤(1)中所述的混合酸溶液加热到30～50℃，保持搅拌速度为50～450r/min，缓慢加入3～6gKMnO4，反应1～4小时，再次加入100～150mL去离子水搅拌2～4小时，得到混合物A；(3)将过量过氧化氢溶液加入到所述混合物A中，保持搅拌，直至混合物A变清澈且不再产生气泡后把炭布从混合物A中取出，用蒸馏水把炭布反复洗涤至洗涤液呈中性，并进行干燥处理，得到氧化炭布；(4)将步骤(3)中得到的氧化炭布放入高压釜中，加入50mLH2O和0.5～1.2mL水合肼，并在70～90℃下保持10～13小时后得到还原炭布；(5)将步骤(4)中得到的还原炭布用去离子水和乙醇洗涤数次直至洗涤液为中性，然后将还原炭布置于50～70℃下干燥6～12小时后即得活性炭布。所述过氧化氢溶液的质量百分比浓度为35％。所述炭布的面积为0.1～100cm2。所述H2SO4的浓度为5-18M，所述HNO3的浓度为5-15M。优选的，H2SO4的浓度为10-18M，所述HNO3的浓度为10-15M。本专利技术的有益效果是：采用有机铁盐作为铁源，合成的氧化铁较传统无机铁盐合成的粒子更小，可有效地嵌入石墨层间，不易脱出，在电容器运行过程中保证了电容器的稳定；采用含氮溶剂对石墨烯进行分散处理时，溶剂中的氮原子和石墨烯结合，变成氮掺杂石墨烯，氮和铁的协同结合作用可有效的提高材料的电子云密度，从而提高电容器的容量。最后制备出的氧化铁纳米点和氮双掺杂石墨烯(Fe2O3NDs@NG)性能良好。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的SEM图；图2为本专利技术实施例1制备的负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的XRD图；图3为本专利技术实施例1制备的负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的CV曲线；图4为本专利技术实施例1制备的负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的放电曲线。图5为本专利技术实施例1和对比例1制备的负极活性材料放电曲线。图6为本专利技术实施例1和对比例3制备的负极活性材料放电曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明：本专利技术的负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的制备方法，包括如下步骤：(1)称取40～60mg的石墨烯加入到90～120mL分散质中，超声分散30～80min后得到混合物A；所述分散质为DMF和叠氮有机溶剂中的一种或两种的混合物；(2)向所述混合物A中加入Fe(C5H7O2)3溶液，超声处理20～40min后得到混合物B；(3)将所述混合物B转移到高压釜中，密封后将高压釜加热至170～210℃，反应5～9小时后将高压釜自然冷却至室温，取出其中的产物C；(4)将所述产物C依次用去离子水和乙醇反复洗涤至洗涤液呈中性后进行干燥，干燥温度50～70℃，干燥时间2～6小时，最终得到负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯。所述步骤(2)中的Fe(C5H7O2)3溶液体积为8～12mL，浓度为1～10mol/L。所述步骤(2)中的Fe(C5H7O2)3溶液体积为10～11mL，浓度为6～8mol/L。一种超级电容器负极，包括上述制备方法制得的负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯和活性炭布。所述活性炭布的制备方法包括以下步骤：(1)将炭布浸入到由20～40mLH2SO4和10～30mLHNO3组成的混合酸溶液中，控制搅拌速度为50～450r/min，搅拌1.5小时；(2)将步骤(1)中所述的混合酸溶液加热到30～50℃，保持搅拌速度为50～450r/min，缓慢加入3～6gKMnO4，反应1～4小时，再次加入100～150mL去离子水搅拌2～4小时，得到混合物A；(3)将过量过氧化氢溶液加入到所述混合物A中，保持搅拌，直至混合物A变清澈且不再产生气泡后把炭布从混合物A中取出，用蒸馏水把炭布反复洗涤至洗涤液呈中性，并进行干燥处理，得到氧化炭布；(4)将步骤(3)中得到的氧化炭布放入高压釜中，加入50mLH2O和0.5～1.2mL水合肼，并在70～90℃下保持10～13小时后得到还原炭布；(5)将步骤(4)中得到的还原炭布用去离子水和乙醇洗涤数次直至洗涤液为中性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)称取40～60mg的石墨烯加入到90～120mL分散质中，超声分散30～80min后得到混合物A；所述分散质为DMF和叠氮有机溶剂中的一种或两种的混合物；(2)向所述混合物A中加入Fe(C5H7O2)3溶液，超声处理20～40min后得到混合物B；(3)将所述混合物B转移到高压釜中，密封后将高压釜加热至170～210℃，反应5～9小时后将高压釜自然冷却至室温，取出其中的产物C；(4)将所述产物C依次用去离子水和乙醇反复洗涤至洗涤液呈中性后进行干燥，干燥温度50～70℃，干燥时间2～6小时，最终得到负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)称取40～60mg的石墨烯加入到90～120mL分散质中，超声分散30～80min后得到混合物A；所述分散质为DMF和叠氮有机溶剂中的一种或两种的混合物；(2)向所述混合物A中加入Fe(C5H7O2)3溶液，超声处理20～40min后得到混合物B；(3)将所述混合物B转移到高压釜中，密封后将高压釜加热至170～210℃，反应5～9小时后将高压釜自然冷却至室温，取出其中的产物C；(4)将所述产物C依次用去离子水和乙醇反复洗涤至洗涤液呈中性后进行干燥，干燥温度50～70℃，干燥时间2～6小时，最终得到负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯。2.根据权利要求1所述负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的Fe(C5H7O2)3溶液体积为8～12mL，浓度为1～10mol/L。3.根据权利要求3所述负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的Fe(C5H7O2)3溶液体积为10～11mL，浓度为6～8mol/L。4.一种超级电容器负极，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述制备方法制得的负极活性材料氧化铁纳米点/氮双掺杂石墨烯和活性炭布。5.根据权利要求4所述超级电容器负极，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐宁，吕菲，魏春鼎，
申请(专利权)人：天津巴莫科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12