[發明專利]氮摻雜石墨烯量子點/多孔碳納米片陣列/碳布復合材料電極、其應用及其制備方法

有效

• 申請號: 202010030107.6
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111146015B
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 李珍;毛劍;周志鵬;吳曉敏;張臣;卜靜婷;任靜
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H01G11/26
• 分類號: H01G11/26;H01G11/36;H01G11/86
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發明公開了一種氮摻雜石墨烯量子點/多孔碳納米片陣列/碳布復合材料電極、其應用及其制備方法，以生長在碳布上的二維Co?MOF作為模板，通過高溫熱裂解制備出多孔碳納米片陣列，采用堿催化水相分子融合法制備高濃度氮摻雜石墨烯量子點，通過電沉積將N?GQDs負載到Co?MOF衍生的多孔碳納米片陣列上，構筑氮摻雜石墨烯量子點/多孔碳納米片陣列/碳布復合電極，形成自支撐結構，主要由碳元素組成，是綠色、無毒且環境友好的電極材料。本粉末方法過程簡單，所制備的N?GQD/CNS/CC復合電極具有高電容性能，本發明方法制備的N?GQD/CNS/CC電極在新能源納米器件技術領域展示出誘人的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種碳復合材料電極、其應用及其制備方法，特別是涉及一種氮摻雜二維多孔碳復合材料電極、其應用及其制備方法，應用于碳復合材料電極、器件技術領域。

背景技術

金屬有機框架材料(MOFs)具備優異的孔隙率，極大的比表面積，高熱穩定性、孔徑可調等特點，在催化，儲氫，氣體吸附，藥物傳遞和能量儲能領域都得到了廣泛的應用。然而，由于MOFs較差的導電性能限制了其在實際中的應用。近幾年來，研究者們以MOFs作為模板，通過熱裂解反應得到衍生的MOFs純碳材料，該類材料保持了原有MOFs的基本骨架，具有高比表面積和孔道結構，同時大幅度提升材料的導電性，使其作為高雙電層電容性能的碳基骨架應用于能量存儲器件。

石墨烯量子點(Graphene quantum dot,GQDs)是準零維的納米材料，具有許多獨特的性質，在光電器件、生物醫療、傳感器等領域都有著應用前景。石墨烯量子點具有小尺寸組裝優勢、高比表面積、高導電性、高的化學穩定性、豐富的官能團、優良的溶劑分散性和輕的質量等特性。

但現有的電極的電容容量、倍率性能、循環壽命、安全性還不夠理想，存在的污染問題還沒有很好地克服，使碳材料在超級電容器領域的應用性能沒有有效發揮，影響了碳復合電極在超級電容器中具有很好的應用前景。

發明內容

為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種氮摻雜石墨烯量子點/多孔碳納米片陣列/碳布復合材料電極、其應用及其制備方法，采用氮摻雜的方法，將GQDs表面胺基功能化，開發GQDs的贗電容活性，提高其電容性能，作為活性材料應用于超級電容器。本發明以生長在碳布上的二維Co-MOF作為模板，通過高溫熱裂解制備出多孔碳納米片陣列。采用堿催化水相分子融合法，制備高濃度氮摻雜石墨烯量子點(N-GQDs)，通過電沉積將N-GQDs負載到Co-MOF衍生的多孔碳納米片陣列上，構筑氮摻雜石墨烯量子點/多孔碳納米片陣列/碳布(N-GQD/CNS/CC)復合電極，該電極為自支撐結構，主要由碳元素組成，是綠色、無毒且環境友好的電極材料。具有高功率密度、高能量密度和循環壽命長等優點，在超級電容器應用方面表現出突出的電容性能。

為達到上述發明創造目的，本發明采用如下技術方案：

一種氮摻雜石墨烯量子點/多孔碳納米片陣列/碳布復合材料電極，以生長在碳布上的二維Co-MOF作為模板，通過高溫熱裂解方法制備出多孔碳納米片陣列；采用堿催化水相分子融合法，制備氮摻雜石墨烯量子點(N-GQDs)，通過電沉積方法，將N-GQDs負載到Co-MOF衍生的多孔碳納米片陣列上，構筑氮摻雜石墨烯量子點/多孔碳納米片陣列/碳布復合電極，形成N-GQD/CNS/CC的自支撐復合結構。

一種本發明氮摻雜石墨烯量子點/多孔碳納米片陣列/碳布復合材料電極的應用，分別取兩片N-GQD/CNS/CC電極材料，以濃度不低于1M的H₂SO₄溶液為電解質，組裝成對稱型N-GQD/CNS/CC超級電容器。

一種本發明氮摻雜石墨烯量子點/多孔碳納米片陣列/碳布復合材料電極的制備方法，包括以下步驟：

a.碳布基底酸化處理：

將碳布進行酸化處理，使碳布表面上結合含氧官能團，形成金屬離子附著位點，備用；