氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极、其应用及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极、其应用及其制备方法，以生长在碳布上的二维Co‑MOF作为模板，通过高温热裂解制备出多孔碳纳米片阵列，采用碱催化水相分子融合法制备高浓度氮掺杂石墨烯量子点，通过电沉积将N‑GQDs负载到Co‑MOF衍生的多孔碳纳米片阵列上，构筑氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合电极，形成自支撑结构，主要由碳元素组成，是绿色、无毒且环境友好的电极材料。本粉末方法过程简单，所制备的N‑GQD/CNS/CC复合电极具有高电容性能，本发明专利技术方法制备的N‑GQD/CNS/CC电极在新能源纳米器件技术领域展示出诱人的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极、其应用及其制备方法
本专利技术涉及一种碳复合材料电极、其应用及其制备方法，特别是涉及一种氮掺杂二维多孔碳复合材料电极、其应用及其制备方法，应用于碳复合材料电极、器件

技术介绍
金属有机框架材料(MOFs)具备优异的孔隙率，极大的比表面积，高热稳定性、孔径可调等特点，在催化，储氢，气体吸附，药物传递和能量储能领域都得到了广泛的应用。然而，由于MOFs较差的导电性能限制了其在实际中的应用。近几年来，研究者们以MOFs作为模板，通过热裂解反应得到衍生的MOFs纯碳材料，该类材料保持了原有MOFs的基本骨架，具有高比表面积和孔道结构，同时大幅度提升材料的导电性，使其作为高双电层电容性能的碳基骨架应用于能量存储器件。石墨烯量子点(Graphenequantumdot,GQDs)是准零维的纳米材料，具有许多独特的性质，在光电器件、生物医疗、传感器等领域都有着应用前景。石墨烯量子点具有小尺寸组装优势、高比表面积、高导电性、高的化学稳定性、丰富的官能团、优良的溶剂分散性和轻的质量等特性。但现有的电极的电容容量、倍率性能、循环寿命、安全性还不够理想，存在的污染问题还没有很好地克服，使碳材料在超级电容器领域的应用性能没有有效发挥，影响了碳复合电极在超级电容器中具有很好的应用前景。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极、其应用及其制备方法，采用氮掺杂的方法，将GQDs表面胺基功能化，开发GQDs的赝电容活性，提高其电容性能，作为活性材料应用于超级电容器。本专利技术以生长在碳布上的二维Co-MOF作为模板，通过高温热裂解制备出多孔碳纳米片阵列。采用碱催化水相分子融合法，制备高浓度氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)，通过电沉积将N-GQDs负载到Co-MOF衍生的多孔碳纳米片阵列上，构筑氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布(N-GQD/CNS/CC)复合电极，该电极为自支撑结构，主要由碳元素组成，是绿色、无毒且环境友好的电极材料。具有高功率密度、高能量密度和循环寿命长等优点，在超级电容器应用方面表现出突出的电容性能。为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用如下技术方案：一种氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极，以生长在碳布上的二维Co-MOF作为模板，通过高温热裂解方法制备出多孔碳纳米片阵列；采用碱催化水相分子融合法，制备氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)，通过电沉积方法，将N-GQDs负载到Co-MOF衍生的多孔碳纳米片阵列上，构筑氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合电极，形成N-GQD/CNS/CC的自支撑复合结构。一种本专利技术氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极的应用，分别取两片N-GQD/CNS/CC电极材料，以浓度不低于1M的H2SO4溶液为电解质，组装成对称型N-GQD/CNS/CC超级电容器。一种本专利技术氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极的制备方法，包括以下步骤：a.碳布基底酸化处理：将碳布进行酸化处理，使碳布表面上结合含氧官能团，形成金属离子附着位点，备用；b.多孔碳纳米片阵列/碳布(CNS/CC)的制备：直接将在所述步骤a中进行酸化处理过的具有含氧官能团的碳布放入六水合硝酸钴和2-甲基咪唑的混合溶液中，原位生长Co-MOF纳米片阵列，得到Co-MOF/CC复合材料；然后通过高温热裂解方法，制备Co-MOF衍生的多孔碳复合材料，形成多孔碳纳米片阵列/碳布(CNS/CC)复合材料结构，备用；c.氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)溶液的制备：以带有苯环的芳香族化合物为前驱物，采用碱催化水相分子融合法，制备氮掺杂的石墨烯量子点溶液，备用；d.N-GQD/CNS/CC复合材料电极的制备：以在所述步骤c中所得的氮掺杂石墨烯量子点溶液为电解液，以在所述步骤b中所得的Co-MOF衍生的多孔碳纳米片阵列/碳布(CNS/CC)复合材料作为工作电极材料，作为工作电极，以铂电极为对电极；采用电沉积法，制备出氮掺杂石墨烯量子点/Co-MOF衍生的多孔碳纳米片阵列/碳布N-GQD/CNS/CC复合材料电极。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a中，进行碳布基底酸化处理时，采用浓度不低于8M的浓硝酸作为酸化处理剂，首先清洗碳布表面的杂质，然后将洁净的碳布放入浓硝酸和去离子水混合溶液中进行酸处理，然后将碳布取出，用去离子水将碳布冲洗至中性后烘干；使经过酸处理过的碳布表面上含有含氧官能团，为后续Co2+提供了附着位点。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤b中，进行多孔碳纳米片阵列/碳布(CNS/CC)的制备时，具体步骤为：首先，称取0.121g的Co(NO3)2·6H2O溶于至少30mL去离子水中，记为溶液A；再称取1.642g的2-甲基咪唑溶于至少30mL去离子水中，记为溶液B；然后，将溶液B快速的倒入溶液A中，得到混合溶液；再将在所述步骤a中进行酸化处理过的碳布放入混合溶液中，在室温下静置至少4h，然后将碳布取出，并用去离子水冲洗碳布表面，洗去没有生长在碳布表面的Co-MOF，最后放入真空烘箱中烘干，得到Co-MOF/CC复合材料；然后将制备好的Co-MOF/CC复合材料放入高温管式炉中，在Ar/H2混合气体下，进行高温热裂解反应处理，步骤如下：首先以不低于1℃/min的升温速率升至不低于350℃，并保温至少1h；随后以不低于2℃/min的升温速率升至不低于800℃，并保温至少1h；然后降至室温后，取出碳布；将取出的碳布随后浸泡在含有浓度不低于1M的FeCl3溶液中至少6h来除去金属Co；最后用去离子水冲洗碳布，并将碳布放入烘箱中烘干，从而得到多孔碳纳米片阵列/碳布(CNS/CC)复合材料。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤c中，进行氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)溶液的制备时，所述带有苯环的芳香族化合物采用淡黄色具有芳香气味的单斜晶体芘。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤c中，进行氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)溶液的制备时，具体步骤为：把1g芘在搅拌条件下缓慢加入60-90ml的浓度不低于8M的浓硝酸中，在60-80℃下进行回流反应25-35h，冷却室温后取出，得到反应物溶液；再将所得反应物溶液加入冰水溶液中，采用真空抽滤，用蒸馏水洗涤至滤液pH值到7；然后，将洗涤后的菊黄色固体在不少于160mL蒸馏水中超声分散至少2h，得到分散液；然后，取至少40mL分散液放入反应釜中，再向反应釜加入4mL的水合肼，在170-210℃温度下进行反应10-24h；然后，在冷却到室温后，过滤，收集过滤之后原溶液，得到氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)溶液。作为本专利技术优选的技术方案，在所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极，其特征在于：以生长在碳布上的二维Co-MOF作为模板，通过高温热裂解方法制备出多孔碳纳米片阵列；采用碱催化水相分子融合法，制备氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)，通过电沉积方法，将N-GQDs负载到Co-MOF衍生的多孔碳纳米片阵列上，构筑氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合电极，形成N-GQD/CNS/CC的自支撑复合结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极，其特征在于：以生长在碳布上的二维Co-MOF作为模板，通过高温热裂解方法制备出多孔碳纳米片阵列；采用碱催化水相分子融合法，制备氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)，通过电沉积方法，将N-GQDs负载到Co-MOF衍生的多孔碳纳米片阵列上，构筑氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合电极，形成N-GQD/CNS/CC的自支撑复合结构。


2.一种权利要求1所述氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极的应用，其特征在于：分别取两片N-GQD/CNS/CC电极材料，以浓度不低于1M的H2SO4溶液为电解质，组装成对称型N-GQD/CNS/CC超级电容器。


3.一种权利要求1所述氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.碳布基底酸化处理：
将碳布进行酸化处理，使碳布表面上结合含氧官能团，形成金属离子附着位点，备用；
b.多孔碳纳米片阵列/碳布(CNS/CC)的制备：
直接将在所述步骤a中进行酸化处理过的具有含氧官能团的碳布放入六水合硝酸钴和2-甲基咪唑的混合溶液中，原位生长Co-MOF纳米片阵列，得到Co-MOF/CC复合材料；
然后通过高温热裂解方法，制备Co-MOF衍生的多孔碳复合材料，形成多孔碳纳米片阵列/碳布(CNS/CC)复合材料结构，备用；
c.氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)溶液的制备：
以带有苯环的芳香族化合物为前驱物，采用碱催化水相分子融合法，制备氮掺杂的石墨烯量子点溶液，备用；
d.N-GQD/CNS/CC复合材料电极的制备：
以在所述步骤c中所得的氮掺杂石墨烯量子点溶液为电解液，以在所述步骤b中所得的Co-MOF衍生的多孔碳纳米片阵列/碳布(CNS/CC)复合材料作为工作电极材料，作为工作电极，以铂电极为对电极；采用电沉积法，制备出氮掺杂石墨烯量子点/Co-MOF衍生的多孔碳纳米片阵列/碳布N-GQD/CNS/CC复合材料电极。


4.根据权利要求3所述氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极的制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，进行碳布基底酸化处理时，采用浓度不低于8M的浓硝酸作为酸化处理剂，首先清洗碳布表面的杂质，然后将洁净的碳布放入浓硝酸和去离子水混合溶液中进行酸处理，然后将碳布取出，用去离子水将碳布冲洗至中性后烘干；使经过酸处理过的碳布表面上含有含氧官能团，为后续Co2+提供了附着位点。


5.根据权利要求3所述氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，进行多孔碳纳米片阵列/碳布(CNS/CC)的制备时，具体步骤为：
首先，称取0.121g的Co(NO3)2·6H2O溶于至少30mL去离子水中，记为溶液A；
再称取1.642g的2-甲基咪唑溶于至少30mL去离子水...

【专利技术属性】
技术研发人员：李珍，毛剑，周志鹏，吴晓敏，张臣，卜静婷，任静，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31