[發明專利]一種氮摻雜石墨烯/鐵酸鎳納米復合材料及其制備

在審

• 申請號: 201410077928.X
• 申請日: 2014-03-05
• 公開（公告）號: CN103871755A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 郝青麗;王文娟;夏錫鋒;雷武;姚超;汪信
• 申請（專利權）人: 南京理工大學;常州納歐新材料科技有限公司
• 主分類號: H01G11/42
• 分類號: H01G11/42;H01G11/32;H01G11/36;H01G11/30;H01G11/86;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明屬于納米復合材料制備領域，具體是涉及一種氮摻雜石墨烯/鐵酸鎳納米復合材料及其制備。

背景技術

人類進入21世紀后，由于經濟和人口的增長，能源的需求量急劇增加，但是傳統的化石能源卻瀕臨消失，所以急需一些可持續再生的新能源來解決目前的難題。新能源材料是實現能源的轉換和應用的關鍵材料，其中主要包括能量轉換材料，儲能材料等。常用的儲能材料中有碳材料，金屬氧化物和導電聚合物。石墨烯為碳材料的一種，因其獨特的性能而引起了研究的熱潮。但是單獨的石墨烯性能有限，無法滿足新能源材料的要求。于是對其進行相應的摻雜和負載，成為研究的熱點。

Klaus?Müllen等人通過水熱法在石墨烯的表面同時摻雜了氮、硼（Three-Dimensional?Nitrogen?and?Boron?Co-doped?Graphene?for?High-Performance?All-Solid-State?Supercapacitors.Advanced?Materials2012,24(37):5130-5135.）；中國專利（CN103274393A、CN102760866A、CN103359708A、CN103359711A及CN102167310A等）通過不同的化學方法引入了氮源，制備了氮摻雜石墨烯，其中很多制備方法面臨著生產成本高、反應所需設備復雜、反應條件苛刻、產量低等問題；雖然獲得的氮摻雜石墨烯與石墨烯相比，提高了其導電性能，但是如將其作為超級電容器的電極材料，其電化學性能（如比電容）遠遠無法滿足實際應用的要求。鐵酸鎳是鐵酸鹽金屬氧化物中的一種，因其獨特的性能，也被廣泛關注，但單獨的鐵酸鎳也存在著相應的缺陷，為了改善其性能，與碳材料的復合也成為了研究熱點（Synthesis?of?graphene-NiFe₂O₄nanocomposites?and?their?electrochemical?capacitive?behavior,Journal?of?Materials?Chemistry?A,2013,6393-6399.），但是其電化學性能（比電容及循環性能）仍不理想。

將修飾過的碳材料與鐵酸鎳進行復合制備氮摻雜石墨烯/鐵酸鎳二元納米復合材料，目前還未見相關報道。

發明內容

針對現有技術的問題，本發明的目的是提供一種簡單的合成氮摻雜石墨烯/鐵酸鎳納米復合材料的制備方法，且研究不同反應溫度對其性能的影響，該制備方法合成工藝簡單，成本較低廉，適合于大規模工業化生產。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種氮摻雜石墨烯/鐵酸鎳納米復合材料，所述復合材料由基體材料氮摻雜石墨烯和鐵酸鎳組成，其中，基體材料氮摻雜石墨烯與鐵酸鎳的質量比為1:1～1:10；所述的基體材料氮摻雜石墨烯中氮的摻雜量為1～2%。

一種氮摻雜石墨烯/鐵酸鎳納米復合材料，其制備方法包括如下步驟：

第一步：將稱取的氧化石墨在去離子水中進行超聲分散，得到分散均勻的氧化石墨烯溶液；

第二步：將硝酸鐵和硝酸鎳加入到上述分散均勻的溶液中，并攪拌致其完全溶解；

第三步：將尿素加入到第三步所得到混合體系中，再次攪拌，使其分散均勻，其中尿素與氧化石墨的質量比為100:1～200:1；

第四步：將上述混合均勻的混合溶液轉移至三口燒瓶中，在100～200℃進行油浴反應；

第五步：將所得到的產物進行離心分離，并多次用去離子水洗滌、干燥后獲得氮摻雜石墨烯/鐵酸鎳納米復合材料。

步驟一中所述的超聲分散時間為1～4h。

步驟二中所述的鐵酸鎳與氧化石墨的質量比為1:1～10:1，硝酸鐵和硝酸鎳的摩爾比為2:1，攪拌分散時間為10～60min。

步驟三中所述的攪拌時間為30～90min。

步驟四中所述的油浴反應時間為12～20h。

本發明與現有技術相比，本發明具有如下優點：（1）本發明合成工藝簡單，生產成本低，利于低成本的大規模生產，且反應試劑無毒，對環境污染小；（2）采用尿素對氧化石墨烯進行還原，在還原的同時，在石墨烯的表面摻雜了氮原子，氮原子的摻雜改變了石墨烯表面化學性質，彌補了化學法制備石墨烯存在的表面缺陷；（3）同時，尿素水解提供堿性，使鐵酸鎳在氮摻雜石墨烯的表面形成，鐵酸鎳納米粒子能夠進一步阻止石墨烯層與層之間的堆積團聚，提高復合材料的電化學性能，從而獲得電化學性能優異的電極材料。

附圖說明