一种氮掺杂碳基电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术型公开了一种以尿素作为氮源对石墨烯材料进行掺杂改性的方法。同时公开了一种表现出透明、无序的片层结构的石墨烯电极材料的制备方法，包括：（1）以水浴法和化学反应结合的方法制备出GO作为前驱体。（2）配置一定浓度的GO溶液，超声剥离。（3）将一定浓度的GO溶液中加入一定质量的尿素，将采用上述方法配制溶液放入高压反应釜中进行水热反应，制备N掺杂石墨烯。本发明专利技术以水热法为基础，通过不同的角度，改变实验参数，制备出了电容性能优越的N掺杂的石墨烯复合电极材料。

A nitrogen-doped carbon-based electrode material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳基电极材料及其制备方法
本专利技术涉及一种氮掺杂碳基电极材料的制备方法。
技术介绍
采用化学法或水热法还原氧化石墨(GO)制备的石墨烯(RGO)电极材料，在还原的过程中，石墨烯片层之间由于范德华力的作用而产生堆垛，使得RGO材料的比表面积远远小于其理论值(2680m2·g-1)，RGO电极的比容量也达不到理论值550F·g-1，并存在导电性差、大电流密度下电容性能差等缺点。为了解决上述存在的问题并进一步改善RGO电极材料的电化学性能，氮掺杂成为研究者关注的焦点之一。目前的研究表明,氮掺杂能够提高碳材料的导电性和自由电子密度。Huang等人用水热法在泡沫镍上直接生长氮掺杂石墨烯，尿素作为还原剂和氮源，氮含量达到5.01at.%。在6M的KOH电解液中,这种氮掺杂石墨烯材料表现出了显著的电化学性能，当电流密度为0.29A·g-1时，比电容达到223F·g-1,当电流密度进一步增加到35.7A·g-1时，比电容依然保持184F·g-1。Liu等人同样采用水热法制备了氮掺杂石墨烯与α-Fe2O3的复合材料，由于氮掺杂石墨烯提供了更多的活性位点和成核位点，有利于控制α-Fe2O3形貌和粒子尺寸的生长，为氮掺杂石墨烯与金属氧化物的复合提供了条件。这种纳米结构的复合材料表现出非常优异的电化学性能，即高的比电容值，高的倍率特性和好的循环稳定性。本专利技术通过水热法还原氧化石墨(GO)制备出了石墨烯(RGO)电极材料，在水热反应中，以尿素为氮源，实现了石墨烯的氮掺杂，一定程度上缓解了石墨烯片层之间由于范德华力的作用而产生堆垛现象，从而提高了石墨烯的电化学性能，为石墨烯在超级电容器中的应用研究提供了一种研究思路。
技术实现思路
一种氮掺杂石墨烯纳米片，其特征在于：以絮状的氧化石墨(GO)为前驱体，以尿素作为掺杂剂,采用微波辅助水热法制备氮掺杂石墨烯，获得的是透明、无序的片层结构的石墨烯电极材料，通过对比发现，掺杂前后石墨烯样品，在低扫描速率下，CV曲线都保持良好的矩形，具有较好的双电层电容性能，N掺杂后的石墨烯样品的电容性能优于未掺杂的。获得的石墨烯纳米片有较大的孔径和较大的比表面积，有更高的导电率，作为超级电容器的电极材料具有优秀的电化学性能和循环稳定性，用该方法制备石墨烯的过程简单、安全。本专利技术提供了一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：利用石墨、硝酸钠、浓硫酸，等化学药品，通过化学反应，得到絮状的氧化石墨(GO)前驱体；步骤S2：将GO通过超声的方法在去离子水中剥离形成氧化石墨烯，然后在溶液中加一定量的尿素并全部溶解；步骤S3：采用水热法制备N掺杂的石墨烯粉末。进一步，所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，取2g石墨、1.5g硝酸钠、量取80ml浓硫酸，将三者均匀混合于500ml的烧杯中，在冰浴条件下磁力搅拌20min后缓慢分几次加入8gKMnO4，继续搅拌90min；随后将烧杯转移到40℃水浴条件下继续搅拌90min，向溶液中缓慢滴加120ml去离子水，然后升温至80℃后继续磁力搅拌60min后加入15ml过氧化氢溶液。反应结束后，经过离心清洗、冷冻干燥，得到絮状的GO前驱体。进一步，所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，称取0.1gGO前驱体，将其溶于50ml去离子水中，磁力搅拌30min,再超声分散30min，形成均匀的GO分散液，然后按一定的质量比例（1:0、1:10、1:30和1:50）称取一定量的尿素加入到分散液中，待尿素全部溶解后将混合溶液转移到聚四氟乙烯内胆中。进一步，所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，将聚四氟乙烯内胆内胆密封在反应釜中以后置于微波消解器中，在一定的温度（120℃、180℃和220℃）条件下反应一定的时间（2h、3h、4h），待反应结束后，取出内胆收集所制备的材料，经去离子水洗涤、抽滤若干次后冷冻干燥，最后得到黑色粉体样品。采用了上述技术方案后，本专利技术具有以下有益效果：1）本专利技术制备的氮掺杂石墨烯改善了石墨烯的电导率；2）本专利技术制备的氮掺杂石墨烯增有更大的比表面积；3)本专利技术制备的氮掺杂石墨烯有较好的双电层电容性能。附图说明图1为本专利技术制备的复合材料的场发射扫描电子显微镜照片；图2为本专利技术制备的复合材料粉体的XRD图。具体实施方式为了使本专利技术的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明。实施例一：一种石墨烯，通过扫描电镜对其形貌进行观察。从图1是180℃条件下反应2h制备的不同N掺杂量（质量比例为1:0、1:10、1:30和1:50）的石墨烯样品RGO、N1-G、N3-G和N5-G的SEM图，从图中可以看出，所有样品都具有相似的形貌，均表现出透明、片层的结构以及在水热反应过程中由于片层之间的堆叠形成的褶皱和卷曲，同时还可以看到，片层之间的堆叠是无序的，因而形成三维的立体结构；图2是在180℃条件下反应2h制备的不同N掺杂量的石墨烯样品RGO、N1-G、N3-G和N5-G（质量比例为1:0、1:10、1:30和1:50）的XRD分析图。从图中可以看出，RGO，N3-G和N5-G样品在2θ=12.3°出现一弱的衍射峰，这是GO特征峰，而N1-G样品的这一特征峰已不明显，这表明N1-G样品的还原程度比其余三个样品要高。这可能是在N掺杂量较低时，尿素分子吸附在GO的表面，可以促进GO表面的含氧官能团的还原。当反应体系中尿素浓度增大，即N掺杂量增加，过高浓度的尿素分子吸附在GO的表面，有可能会把GO表面的含氧官能团覆盖，从而阻止GO的进一步还原。在2θ=24.6°、42.67°的衍射峰分别对应石墨的(002)和(100)晶面，而(100)晶面衍射峰已经很不明显，结果表明，GO在微波作用下进行水热还原时，由于水蒸气的活化，使得石墨烯片层之间尽可能发生剥离，形成更少层的石墨烯结构。实施例二：本专利技术提供了一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：利用石墨、硝酸钠、浓硫酸，等化学药品，通过化学反应，得到絮状的氧化石墨(GO)前驱体；步骤S2：将GO通过超声的方法在去离子水中剥离形成氧化石墨烯，然后在溶液中加一定量的尿素；步骤S3：采用水热法制备N掺杂的石墨烯粉末。优选地，所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，取2g石墨、1.5g硝酸钠、量取80ml浓硫酸，将三者均匀混合于500ml的烧杯中，在冰浴条件下磁力搅拌20min后缓慢分几次加入8gKMnO4，继续搅拌90min；随后将烧杯转移到40℃水浴条件下继续搅拌90min,向溶液中缓慢滴加120ml去离子水，然后升温至80℃后继续磁力搅拌60min后加入15ml过氧化氢溶液。反应结束后，经过离心清洗、冷冻干燥，得到絮状的GO前驱体。优选地，所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，称取0.1gGO前驱体，将其溶于50ml去离子水中，磁力搅拌30min，再超声分散30min，形成均匀的GO分散液，然后按一定的质量比例（1:0、1:10、1:30和1:50）称取一定量的尿素加入到分散液中，待尿素全部溶解后将混合溶液转移到聚四氟乙烯内胆中。优选地，所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，将聚四氟乙烯内胆内胆密封在反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂石墨烯纳米片，其特征在于：以絮状的氧化石墨(GO)为前驱体，以尿素作为掺杂剂，采用微波辅助水热法制备氮掺杂石墨烯，获得的是透明、无序的片层结构的石墨烯电极材料，通过对比发现，掺杂前后石墨烯样品，在低扫描速率下，CV曲线都保持良好的矩形，具有较好的双电层电容性能，N掺杂后的石墨烯样品的电容性能优于未掺杂的。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂石墨烯纳米片，其特征在于：以絮状的氧化石墨(GO)为前驱体，以尿素作为掺杂剂，采用微波辅助水热法制备氮掺杂石墨烯，获得的是透明、无序的片层结构的石墨烯电极材料，通过对比发现，掺杂前后石墨烯样品，在低扫描速率下，CV曲线都保持良好的矩形，具有较好的双电层电容性能，N掺杂后的石墨烯样品的电容性能优于未掺杂的。2.根据权利要求1所述的石墨烯的制备，包括以下步骤：步骤S1，利用石墨、硝酸钠、浓硫酸，等化学药品，通过化学反应，得到絮状的氧化石墨(GO)前驱体；步骤S2，将GO通过超声的方法在去离子水中剥离形成氧化石墨烯，然后在溶液中加一定量的尿素；步骤S3，采用水热法制备N掺杂的石墨烯粉末。3.根据权利要求2所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，取2g石墨、1.5g硝酸钠、量取80ml浓硫酸，将三者均匀混合于500ml的烧杯中，在冰浴条件下磁力搅拌20min后缓慢分几次加入8gKMnO4，继续搅拌90min；随后将烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄艳伟，李伟，李玉凯，
申请(专利权)人：信阳学院，
类型：发明
国别省市：河南,41