[發(fā)明專利]氮摻雜多孔垂直石墨烯納米墻陣列及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710374724.6
• 申請(qǐng)日: 2017-05-24
• 公開（公告）號(hào): CN107235472B
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王帥;池凱;肖菲;袁號(hào);張哲野
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): B82B1/00
• 分類號(hào): B82B1/00;B82B3/00;B82Y30/00;B82Y40/00;H01G11/36;H01G11/86
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒;李智

本發(fā)明提供了一種氮摻雜多孔垂直石墨烯納米墻陣列，利用氫氧化鎳作為模板，多巴胺的自組裝性質(zhì)形成致密包覆層，隨后高溫碳化制備了一種氮摻雜垂直石墨烯納米墻陣列材料，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行原位功能化修飾，得到了負(fù)載貴金屬納米顆粒、貴金屬合金納米顆粒、金屬氧化物、金屬硫化物、金屬磷化物、導(dǎo)電高分子等復(fù)合功能材料，探究了在超級(jí)電容器、鋰離子電池、水分解、電化學(xué)催化、無酶生物傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種氮摻雜垂直石墨烯納米墻陣列的制備方法及其原位功能化材料的制備和應(yīng)用探索。

背景技術(shù)

石墨烯可以看作是石墨的一個(gè)片層，是通過六邊形鏈接sp2雜化的碳原子得到的二維納米碳材料，具有共軛結(jié)構(gòu)。其厚度僅為0.335nm，是構(gòu)建其他維數(shù)碳質(zhì)材料(如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨)的基本單元。石墨烯是目前被發(fā)現(xiàn)的最薄的材料，其發(fā)現(xiàn)者也因此獲得2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由于石墨烯這種獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、載流子遷移速率、力學(xué)性能以及巨大的比表面積等獨(dú)特的性能。由于石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，同時(shí)也使石墨烯復(fù)合電極材料具有優(yōu)異的性能，因此在電子器件、電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)、電化學(xué)催化、生物傳感器等諸多方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

石墨烯具有超大的比表面積，單層的石墨烯在無缺陷情況下其理論比表面積可達(dá)2630m²/g，遠(yuǎn)高于多壁碳納米管、活性炭、模板多孔碳等其他碳材料。雖然石墨烯具有很大的理論比表面積，但π-π相互作用和其他因素會(huì)使其較大的共軛平面發(fā)生緊密堆疊，導(dǎo)致有效比表面積降低。因此，制備石墨烯基復(fù)合材料的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)，就是如何有效地阻止石墨烯發(fā)生緊密堆疊。目前，膨脹法、有序組裝以及加入其他納米材料作為隔離物是防止石墨烯發(fā)生堆疊的主要方法。

垂直排列的石墨納米墻(VAGWs)，也稱為垂直取向的石墨烯或碳/石墨烯納米片，由于其獨(dú)特的取向，暴露的尖銳邊緣，非堆疊形態(tài)和巨大的表面積。這些獨(dú)特的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征使得VAGWs在許多應(yīng)用中非常有前途。值得注意的是，VAGW的結(jié)構(gòu)可以有效地防止石墨烯片層的堆疊，實(shí)現(xiàn)最小化的擴(kuò)散阻力到質(zhì)量傳遞，并且還提供多維連續(xù)電子傳輸途徑。VAGW及其衍生物容易表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，包括在鋰離子電池，鋰硫電池，超級(jí)電容器等。然而，目前有效的方法VAGW制備方法通常是通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)。然而，PECVD生長的技術(shù)要求相對(duì)較高。由于載體(例如平面基底或泡沫狀框架)對(duì)VAGW的PECVD生長是必需的，不容易獲得具有某些形態(tài)的獨(dú)立式的VAGN。而且成本太高。

因此，開發(fā)制備由垂直排列的石墨烯片層組成的一維層次結(jié)構(gòu)的簡單有效的策略仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種氮摻雜多孔垂直石墨烯納米墻陣列的制備方法，及其原位功能化衍生物，本發(fā)明提供了一種生物復(fù)制成型的方法，即以金屬氧化物氫氧化鎳作為模板，利用多巴胺的自組裝性能實(shí)現(xiàn)包裹，后續(xù)高溫退火去除模板得到。其中通過對(duì)其關(guān)鍵制備工藝的整體工藝設(shè)計(jì)、各步驟的反應(yīng)條件(如反應(yīng)物濃度、包裹條件、反應(yīng)時(shí)間、退火溫度)等進(jìn)行改進(jìn)。得到的氮摻雜垂直石墨烯納米墻陣列及其復(fù)合電極具有高導(dǎo)電性，豐富的空隙、高比表面積等優(yōu)點(diǎn)。以氮摻雜垂直石墨烯納米墻陣列作為基底負(fù)載二氧化錳、聚吡咯、金鈀合金、二硫化鉬、磷化鎳。用于超級(jí)電容器、生物傳感器、鋰離子電池、電化學(xué)催化、水分解等領(lǐng)域。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種氮摻雜多孔垂直石墨烯納米墻陣列，所述石墨烯納米墻陣列以碳布為基底，石墨烯納米墻陣列與碳布保持垂直狀態(tài)；氮元素原子個(gè)數(shù)占石墨烯納米墻陣列原子個(gè)數(shù)總和(不包括作為基底材料的碳布的原子個(gè)數(shù))為3-5％；所述石墨烯納米墻陣列具有三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，高度為3-6微米，厚度為2.5-3.5納米，具有直徑為1-10納米的孔洞。

按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種氮摻雜垂直石墨烯納米墻陣列的制備方法，及其原位功能化衍生物電極的制備，其特征在于，包括以下步驟