[發明專利]氮摻雜石墨烯分散成膜的制備方法及應用

在審

• 申請號: 201410163215.5
• 申請日: 2014-04-22
• 公開（公告）號: CN105006572A
• 公開（公告）日: 2015-10-28
• 發明（設計）人: 劉立偉;陳明亮;李偉偉;李奇;郭玉芳;邱勝強;廖書田;劉朝軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01G11/24
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王鋒

技術領域

本發明涉及一種石墨烯基材料，特別涉及一種氮摻雜石墨烯分散成膜的制備方法及應用。

背景技術

石墨烯(Graphene)?是一種零能隙半導體材料，將其應用于微電子器件需對其帶隙或載流子濃度等進行調節。化學摻雜是實現調控材料物理、化學性質的一種有效方法，如通過富電子或缺電子的元素或分子化學摻雜石墨烯材料，可以調控石墨烯的載流子濃度，從而實現對其能帶寬度和催化性質等物理化學性能的調控。理論研究結果表明，在石墨烯片層中引入如N、B?等雜原子可以有效地將石墨烯從零帶隙的半金屬轉變成半導體，形成n-?型或p-?型摻雜的石墨烯，預示了摻雜石墨烯在光學、電學、磁學等領域的潛在應用前景。此后，眾多實驗科學家致力于石墨烯的化學摻雜方法研究。有通過化學氣相沉積(CVD)?方法，以甲烷氣體作為碳源，氨氣作為氮源，以沉積在硅基底表面的25nm?銅膜為催化劑，在800℃的高溫下保持10?分鐘，制得了少數幾層氮摻雜石墨烯。還有采用電熱反應的方法，以氨氣為氮源，將氮原子取代石墨烯晶格中的碳原子，制備了氮摻雜石墨烯；以氧化石墨烯為起始原料和氨氣為氮源，通過高溫退火同時實現GO?的還原和氮的摻雜，制得氮摻雜石墨烯；以氧化態石墨和三聚氰胺為反應原料高溫退火法制備氮摻雜石墨烯的方法；以氧化石墨烯分散液為起始原料和不同的氮源，通過水熱法或溶劑熱法，制備氮摻雜石墨烯以及水凝膠。此外，還有使用電弧放電方法制備硼或氮摻雜石墨烯。

然而現有的氮摻雜石墨烯薄膜的制備僅限于將氧化石墨烯事先成膜，然后通過高溫退火在氨氣為氮源的前提下同時實現氮的摻雜和氧化石墨烯的還原，從而制得氮摻雜石墨烯薄膜。此方法需采用高溫退火等專業設備，還需使用腐蝕性的氨氣等，其制備條件苛刻、成本高、危險性大，故不適宜大規模生產。另外，熱退火法所制備的氮摻雜石墨烯比表面積小，限制了所制備產物的推廣使用。當前，發展快速、簡單、綠色和高效制備氮摻雜石墨烯薄膜的方法已經稱為業界的研究熱點和重點之一。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種氮摻雜石墨烯薄膜及其制備方法，其具有成本低、快速、高效等特點，從而克服了現有技術中的不足。

本發明的目的之二在于提供前述氮摻雜石墨烯薄膜的應用，特別是在儲能裝置中的應用。

為實現前述發明目的，本發明采用了如下技術方案：

一種氮摻雜石墨烯薄膜，主要是通過成膜技術處理氮摻雜石墨烯分散液而形成，所述氮摻雜石墨烯分散液包含氮摻雜石墨烯、陰離子染料及溶劑，其中氮摻雜石墨烯與陰離子染料的質量比為1~400：1。

一種氮摻雜石墨烯薄膜的制備方法，包括：取氮摻雜石墨烯均勻分散于含陰離子染料的溶劑中，形成氮摻雜石墨烯分散液，

以及，利用成膜技術處理所述氮摻雜石墨烯分散液，形成所述氮摻雜石墨烯薄膜。

進一步的，所述溶劑包括水或有機溶劑，所述陰離子染料可選自但不限于甲基橙、伊紅、剛果紅、藻紅、苯胺黑、苦味酸、酸性復紅中的任意一種或兩種以上的組合。

前述的任一種氮摻雜石墨烯薄膜在制備儲能裝置中的應用，所述儲能裝置包括電容器或電池。

一種儲能裝置，包括正、負電極，隔膜和電解液，并且，至少所述正或負電極包含前述的任一種氮摻雜石墨烯薄膜。

進一步的，所述儲能裝置包括但不限于柔性及非柔性超級電容器、柔性鋰離子電池或燃料電池。

與現有技術相比，本發明的有益效果包括：

（1）首次采用陰離子有機染料對氮摻雜石墨烯進行分散，可達成長期均勻穩定分散效果，為后續成膜工藝提供了必要的前提條件，有效解決了氮摻雜石墨烯分散問題，且現有的任何一種方法制備而得的氮摻雜石墨烯均可作為本發明的原料應用，并可根據不同需求制備不同厚度、不同尺寸大小的氮摻雜石墨烯薄膜，所獲產物有著非常好的三維結構，為在電子儲能方面的應用提供了高比表面積，可以廣泛應用于電子器件、復合材料、傳感、生物分析、儲能材料等領域。

（2）本發明的制備方法簡便易行，反應過程易于控制、安全、成本低，易于推廣使用。

附圖說明

圖1a-1b分別是實施例1所獲氮摻雜石墨烯水凝膠的光學圖片。

圖2a-2b分別是實施例1所獲氮摻雜石墨烯冷凍干燥后的SEM圖片。

圖3是實施例1所獲氮摻雜石墨烯的元素分析圖譜。

圖4是實施例1所獲氮摻雜石墨烯-甲基橙水分散液的照片。

圖5a-5b分別是實施例1所獲氮摻雜石墨烯薄膜的光學圖片。

圖6a-6b分別是實施例1所獲氮摻雜石墨烯薄膜的SEM圖片。

具體實施方式