[發(fā)明專利]氮摻雜石墨烯?碳納米角復(fù)合材料的制備及應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610036500.X
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號: CN105552371B
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 呂秋豐;王文棟;林曉強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/62;H01M4/36;H01G11/32;H01G11/36;C01B32/05;C01B32/20
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石墨烯基復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種氮摻雜石墨烯-碳納米角復(fù)合材料的制備及應(yīng)用。

背景技術(shù)

石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和較高的比表面積，被認(rèn)為是超極電器電極材料的理想選擇。然而片層間范德華力的存在使得石墨烯片易于再次團(tuán)聚，從而降低了其比表面積的有效利用，并且其表面缺少讓電解質(zhì)離子移動的通道，使其性能受到了極大的限制。因此，如何有效地解決石墨烯的分散性和表面的修飾成為關(guān)鍵科學(xué)問題。為了拓展石墨烯的應(yīng)用，常對其進(jìn)行摻雜改性或?qū)⑵渑c其它材料復(fù)合以調(diào)節(jié)石墨烯的物理化學(xué)性能。

最近，大量的研究工作致力于石墨烯的功能化，通過石墨烯與其它物質(zhì)的反應(yīng)，化學(xué)修飾石墨烯的表面，化學(xué)摻雜，使石墨烯具有可調(diào)制的帶隙，改善物理化學(xué)性能，從而實現(xiàn)石墨烯更為廣闊的應(yīng)用前景。目前，氮、硫、硼、磷等雜原子已經(jīng)被成功地引入到石墨烯的晶格中，引起石墨烯的缺陷，進(jìn)而調(diào)節(jié)石墨烯的電子特性，最終提高其電化學(xué)性能。特別是，氮摻雜石墨烯引起了人們更多地關(guān)注，成為研究熱點之一。氮原子作為電子供體取代石墨烯中的碳原子，使石墨烯實現(xiàn)向n-型半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，同時也會提供更多的活性位點，促進(jìn)石墨烯與負(fù)載之間的相互作用，使復(fù)合材料更加穩(wěn)定。研究表明，氮摻雜石墨烯中，有三種類型的氮原子：吡啶型、吡咯型和石墨型。石墨型的氮原子可以增強(qiáng)石墨烯的導(dǎo)電性，有利于電子在材料中的傳輸，而吡咯型和吡啶型的氮原子在電化學(xué)過程中會與電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而提高材料的法拉第贗電容。

隨著研究的深入，氮摻雜石墨烯的制備方法呈現(xiàn)多樣化，簡便化和高效化。目前主要的制備方法有氣相沉積法、溶劑熱法、熱處理法（Vikkisk M, Kruusenberg I, Joost U, et al. Electrocatalytic oxygen reduction on nitrogen-doped graphene in alkaline media [J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 147: 369-376.）、等離子處理法和微波輔助法等新方法。氣相沉積法能生成較為均一的大面積薄膜和摻雜較為均勻的氮摻雜石墨烯，可控性較好，但氣源和余氣一般具有毒性，操作過程繁瑣，設(shè)備要求較為嚴(yán)苛，生產(chǎn)成本高。溶劑熱法操作方便，條件溫和，安全性較高，產(chǎn)量大，也是目前為大家最廣泛應(yīng)用的一種方法。但是，氮摻雜的均一性較差，摻雜率的可控性較差。等離子體處理后的石墨烯表面所帶官能團(tuán)的活性很高，維持時間不長，這就要求在很大壓力的N₂等離子艙體中進(jìn)行反應(yīng)，這無疑對設(shè)備、實驗條件有著嚴(yán)苛的要求。而熱處理法是一種簡潔、高效制取氮摻雜石墨烯的制備方法，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，但是得到的氮含量較低，對溫度和反應(yīng)時間的把控較為嚴(yán)苛。盡管已報道的氮摻雜石墨烯的制備方法各有特色，但是石墨烯納米片的形貌可控性、再次團(tuán)聚問題和低成本化依然是一個有待進(jìn)一步解決的重要科學(xué)問題。

碳納米角是一種新型導(dǎo)電單壁碳納米管材料，由于范德華力的影響，單個的單壁碳納米角往往聚集在一起形成半徑80~100 nm的球狀集合體。這種集合體為單壁碳納米角提供了各種孔結(jié)構(gòu)特征，角狀的結(jié)構(gòu)也使單壁碳納米角擁有大量的缺陷，表現(xiàn)出較高的活性，同時它的高純度、大比表面積及開放結(jié)構(gòu)使得其在電化學(xué)和分析化學(xué)領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景。

生物質(zhì)是利用大氣、水、土地等通過光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體，主要是指農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中除糧食、果實以外的秸稈、樹木等木質(zhì)纖維素、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)下腳料、農(nóng)林廢棄物等物質(zhì)。生物質(zhì)原料作為一種新型材料具有活性強(qiáng)、氣孔率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異的性能可廣泛應(yīng)用于表面活性劑、分散劑和吸附材料等方面。

鑒于碳納米角優(yōu)異的特性、石墨烯納米片的團(tuán)聚問題需要深入解決，而且氮摻雜石墨烯基復(fù)合材料作為超級電容器電極材料具有廣闊的應(yīng)用前景，本發(fā)明在氮摻雜石墨烯制備過程中以生物質(zhì)原料為表面活性劑，并將碳納米角作為導(dǎo)電性間隔物引入到石墨烯納米片層之間，通過常壓高溫?zé)峤夤に囈垣@得石墨烯納米片分散性好、低成本、高性能的氮摻雜石墨烯-碳納米角復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種氮摻雜石墨烯-碳納米角復(fù)合材料的制備及應(yīng)用，屬于石墨烯基復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，克服和解決了現(xiàn)有石墨烯制備方法存在的石墨烯納米片易于再次團(tuán)聚和電化學(xué)性能低等缺點和問題，所制得復(fù)合材料具有分散性好、低成本、電化學(xué)性能優(yōu)異的特點。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：