[發明專利]一種氮摻雜石墨烯水凝膠及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201210330721.X
• 申請日: 2012-09-07
• 公開（公告）號: CN102849731A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發明（設計）人: 俞書宏;陳平;楊晶晶;王政;肖天元;李姍姍
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;H01G9/042
• 代理公司: 北京維澳專利代理有限公司 11252
• 代理人: 馬佑平

技術領域

本發明屬于石墨烯技術領域，尤其涉及一種氮摻雜石墨烯水凝膠及其水熱合成與調控方法和應用。

背景技術

超級電容器是上世紀七、八十年代發展起來的一種新型的儲能裝置。它是一種介于傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源。超級電容器的突出優點是功率密度高、充放電時間短、循環壽命長、工作溫度范圍寬。提高超級電容器的能量密度和功率密度一直是人類的追求。

石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，它的問世引起了全世界的研究熱潮。它是已知材料中最薄的一種，質料非常牢固堅硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導體都快。

最近的研究表明氮摻雜石墨烯能夠改變石墨烯的電學性能，作為超級電容器電極材料，能夠顯著提高超級電容性能。目前，化學氣相沉積法、高溫氨氣處理法、等離子體處理等方法已經用于合成氮摻雜石墨烯，但是這些方法需要大型設備或者極端的合成條件，發展簡易的方法制備氮摻雜石墨烯仍然是具有挑戰性的工作。基于目前國內外的研究現狀，研究具有三維結構的氮摻雜石墨烯材料，提高其超級電容性能，發展新型的超級電容器具有重要意義。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種制備氮摻雜石墨烯水凝膠的方法。

本發明的另一目的在于提供上述方法制備的氮摻雜石墨烯水凝膠。

本發明的還一目的在于提供上述氮摻雜石墨烯水凝膠在超級電容器中的應用。

為了實現本發明的目的，本發明提供了一種氮摻雜石墨烯水凝膠的制備方法，包括以下步驟：

（1）按比例將氧化石墨加入水中進行超聲分散，得到氧化石墨烯水溶液；

（2）按比例將有機胺滴加到步驟（1）所得氧化石墨烯水溶液中，攪拌一段時間后形成氧化石墨烯與有機胺復合的中間產物；

（3）步驟（2）所得中間產物通過水熱合成反應，得到氮摻雜石墨烯水凝膠。

上述方法還進一步包括步驟（4）水洗產物氮摻雜石墨烯水凝膠。

其中，所述氧化石墨烯是采用Hummars方法化學合成的到。

所述Hummars方法采用參考文獻：W.S.Hummers,R.E.Offeman,Preparation?of?Graphitic?Oxide.Journal?of?the?American?Chemical?Society?80(1958)1339-1339.中公開的方法。

其中，優選的，步驟（1）中所述氧化石墨烯水溶液的濃度為2.1~2.8mg/mL；所述超聲時間為10~60min，功率為100W。

優選的，步驟（2）中所述有機胺為小分子有機胺，包括乙二胺、二乙烯三胺、四乙烯五胺、正丙胺或正丁胺。

優選的，步驟（2）中有機胺與氧化石墨烯水溶液的體積比為—（0.00015~0.06）：1

通過調控小分子有機胺與氧化石墨烯的比例，可以有效調節材料的電容性能，同時可以有效調節水凝膠的內部結構和宏觀形貌。

優選的，步驟（2）中攪拌的速度為200~1000轉/min，時間為10~15min。

優選的，步驟（2）中有機胺滴加的速度為10~250uL/min。

優選的，步驟（3）中所述水熱合成反應的條件為：反應溫度為180~220°C，反應時間為6~18h。

所述水熱合成反應是在反應釜中進行，所述反應釜為福建盛鑫機械有限公司生產，校正后體積為23毫升。

本發明還提供了上述方法制備的氮摻雜石墨烯水凝膠，所述氮摻雜石墨烯水凝膠的密度為3~12mg/m³，其中氮的比例為3.7~9.6%。

本發明還進一步提供了所述的氮摻雜石墨烯水凝膠在超級電容器中的應用。本發明提供的石墨烯水凝膠用作超級電容器電極材料，發現在非常高的充放電流情況下，仍然有較好的比電容性能和很高的功率密度。

本發明的有益效果：

本發明巧妙地利用小分子有機胺和氧化石墨烯為反應物一步水熱方法合成出氮摻雜石墨烯水凝膠。發明中的小分子有機胺不僅起到氮摻雜作用，可以調節材料的電容性能，同時小分子有機胺也作為調控劑，可以調節水凝膠的內部結構和宏觀形貌。