CN103979532A - 一种氮掺杂石墨烯片及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氮掺杂石墨烯片及其制备方法和应用，以氨水作为氮源，采用了两步反应法制得氮掺杂石墨烯片。反应过程中不使用任何表面活性剂，反应物成分简单，反应条件温和，解决了现有制备方法存在的反应条件苛刻、含氮量低、生产成本高等问题。制备过程中氨水的加入促进了氧化石墨烯还原成石墨烯，同时作为氮源制得氮掺杂石墨烯片。本发明可用于制备高质量纯净的氮掺杂石墨烯片，其具有优异的电化学性能，可用于制备超级电容器电极材料。

Description

一种氮掺杂石墨烯片及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于超级电容器电极材料制备领域，具体涉及一种氮掺杂石墨烯片及其制备方法和应用。
背景技术
随着煤炭、石油、天然气等不可再生资源的不断枯竭以及环境污染的日益严重，研究和开发出新型环保的能量存储装置显得尤为迫切和重要。在此背景条件下，超级电容器应运而生，成为最有前途的能源存储设备之一。在大多数情况下，碳纳米材料如多孔碳材料，碳纳米管，石墨烯由于其大的表面积和高导电率，已被用来作为超级电容器的电极，但目前碳基材料仍处于发展阶段。石墨烯独特的原子结构和电子结构使得其表现出传统材料所不具有的多种非凡性能，超大的比表面积、可调节的带隙、高电子迁移率、优良的力学性能和光学性能等特点。目前，很多研究通过物理混合的方法制备石墨烯复合材料来提高其电化学性能，化学修饰的方法研究的比较少。其中最可行的化学修饰方法是通过掺杂，由于N原子具有与C原子近似的原子半径，可以作为电子供体对石墨烯进行掺杂，生成的氮掺杂石墨烯表现出较纯石墨烯更多优异的性能，拓宽了应用领域，包括生物传感器，燃料电池，以及电子器件的器件性能。
传统的石墨烯氮掺杂的方法主要有化学气相沉积(CVD)法、等离子处理法、电弧放电法、高能电热法、模板法等，具有制备条件苛刻、掺杂量低（不高于8%）、生产成本高等问题。本发明的掺杂方法可以获得高品质和高含氮量的氮掺杂石墨烯，通过改变氮源的量可以调节制备不同掺杂量的氮掺杂石墨烯。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮掺杂石墨烯片及其制备方法和应用，反应过程中不使用任何表面活性剂，反应物成分简单，反应条件温和，制得高质量纯净的氮掺杂石墨烯片，其具有优异的电化学性能，可用于制备超级电容器电极材料。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
以氨水作为氮源，通过两步法制得高含氮量的氮掺杂石墨烯片。包括以下步骤：
（1）将氧化石墨加入到溶剂中超声分散，控制其浓度在1～10mg/mL； 
（2）加入浓氨水，浓氨水与氧化石墨的质量比为0.1～100；
（3）40～150℃反应3～24h；
（4）80～200℃水热反应1～12h；
（5）所得产物用去离子水冲洗数次，80℃下干燥12h，即得氮掺杂石墨烯片。
所述的溶剂为水或乙醇。
所述的氮掺杂石墨烯的氮含量大于8%。
所述的氮掺杂石墨烯片用于制备超级电容器电极材料。
本发明的显著优点在于：以氨水为氮源，采用两步法制备氮掺杂石墨烯，实验操作简单，不使用任何分散剂，氨水的加入促进了氧化石墨转化为石墨烯，得到的氮掺杂石墨烯为石墨烯片，含氮量高、比表面积大。
附图说明
图1是实施例1所得的未掺杂石墨烯片和实施例2所得的氮掺杂石墨烯片的XRD图。
图2是实施例2所得氮掺杂石墨烯的拉曼图。
图3是实施例2所得氮掺杂石墨烯的SEM图。
图4是实施例1和实施例2所得氮掺杂石墨烯的XPS图。
图5是实施例2所得氮掺杂石墨烯的充放电图。
具体实施方式
以下是本发明的几个具体实施例，进一步说明本发明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
首先将500mg经改进Hummers法制备的氧化石墨加入50mL的乙醇中，超声分散1h形成均匀的分散液后，在80℃的油浴锅中磁力搅拌反应10h，移至高压反应釜中，在150℃反应3h，所得产物用去离子水冲洗数次，然后在80℃下干燥12h，即得未掺杂产物。
实施例2
首先将500mg经改进Hummers法制备的氧化石墨加入50mL的乙醇中，超声分散1h形成均匀的分散液后，加入2.5g浓氨水，然后在80℃的油浴锅中磁力搅拌10h，再移至高压反应釜中，在150℃反应3h，所得产物用去离子水冲洗数次，80℃下干燥12h，即得氮掺杂石墨烯片。所制备的氮掺杂石墨烯片的氮含量为11.75%。
图1是实施例1所得的未掺杂石墨烯片和实施例2所得的氮掺杂石墨烯片的XRD图。从图中可以看出，经反应氧化石墨还原成石墨烯，加入氨水后得到的氮掺杂石墨烯2θ角发生偏移，层间距较小，更接近于鳞片石墨的层间距，说明掺杂后石墨的结构得到修复。图3是实施例2所得氮掺杂石墨烯的放大一万倍的SEM图，从图中可看出氮掺杂石墨烯为较大的石墨烯片状。图4是实施例1和实施例2所得氮掺杂石墨烯的XPS图，很明显掺杂之后氧含量降低了很多，氮含量显著提高，所制备的氮掺杂石墨烯的氮含量为11.75%，通过改变含氮化合物的用量可以调节产品中的氮含量。图5是1A/g时氮掺杂石墨烯的充放电图，比电容高达110F/g。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种氮掺杂石墨烯片的制备方法，其特征在于：以氨水作为氮源，通过两步法制得高含氮量的氮掺杂石墨烯片。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将氧化石墨加入到溶剂中超声分散，控制其浓度在1～10mg/mL； 
（2）加入浓氨水，浓氨水与氧化石墨的质量比为0.1～100；
（3）40～150℃反应3～24h；
（4）80～200℃水热反应1～12h；
（5）所得产物用去离子水冲洗数次，80℃下干燥12h，即得氮掺杂石墨烯片。
3.根据权利要求2所述的氮掺杂石墨烯片的制备方法，其特征在于：所述的溶剂为水或乙醇。
4.一种如权利要求1所述的方法制得的氮掺杂石墨烯片，其特征在于：所述的氮掺杂石墨烯的氮含量大于8%。
5.一种如权利要求1所述的方法制得的氮掺杂石墨烯片的应用，其特征在于：所述的氮掺杂石墨烯片用于制备超级电容器电极材料。
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