CN103985875A - 一种石墨烯-氮化碳复合材料的应用 - Google Patents

一种石墨烯-氮化碳复合材料的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯-氮化碳复合材料的应用。该复合材料由石墨烯及氮化碳组成，二者之间通过共价键作用复合。该石墨烯-氮化碳复合材料作为锂离子电池负极材料，在电流密度为100mAg-1时，其首次充放电可逆容量为1705mAhg-1，50次循环后，其容量可以维持在1525mAhg-1，并且具有非常好的倍率性能，当电流密度为1000mAg-1时，其可逆容量可以达到943mAhg-1，该复合材料有望作为汽车动力系统。

Description

一种石墨烯-氮化碳复合材料的应用
技术领域
本发明涉及一种石墨烯-氮化碳复合材料的应用，属于纳米材料应用领域。
背景技术
近年来，随着纳米碳材料的兴起，越来越多的高效催化剂的应用成为了可能。最近，石墨相氮化碳(g-C3N4)可见光催化性能的开发给光催化材料的研究带来了新的契机。g-C3N4是一种具有石墨结构的层状有机聚合物半导体，带隙为2.7eV，可以吸收可见光，其层与层之间以范德华力相连，具有较好的化学与热力学稳定性，同时价格低廉，制备简单，被公认为是一种非常具有发展潜力的环境友好，可持续使用的新型可见光催化材料。但研究发现，由于纯g-C3N4的窄波段可见光吸收范围，晶界以及层与层之间的范德华力的影响，其可见光催化活性受到了一定的限制。近几年来，各国科学家针对这些科学难题，致力于如何提高g-C3N4可见光催化活性进行大量研究并取得了突破性进展：Quan等采用简单的超声法将氧化石墨烯与g-C3N4复合，在可见光下降解罗丹明B和2,4-二氯苯酚，与纯g-C3N4相比，氧化石墨烯与g-C3N4复合材料显示了较高的光催化活性[Gaozu Liao,Shuo Chen,Xie Quan,Hongtao Yu and HuiminZhao.Graphene Oxide Modified g-C3N4Hybrid with Enhanced Photocatalytic Capabilityunder Visible Light Irradiation.J.Mater.Chem.,2012,22,2721-2726.]。Ye等将氧化石墨烯与g-C3N4的前驱体二氰二胺混合，之后采用热处理的方法获得石墨烯/g-C3N4复合物，该复合物具有较好的光催化活性[Yuanjian Zhang,Toshiyuki Mori,Li Niu andJinhua Ye.Non-Covalent Doping of Graphitic Carbon Nitride Polymer with Graphene:Controlled Electronic Structure and Enhanced Optoelectronic Conversion.Energy Environ.Sci.,2011,4,4517-4521.]。
但是，将石墨烯-氮化碳复合物作为锂离子电池的负极材料还未有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以共价键方式键合的，具有优异储锂性能的石墨烯-氮化碳复合物。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种石墨烯-氮化碳复合材料的应用，将其作为锂离子电池负极材料。
其中，所述复合材料中含氮量为5～20at.％，所述的石墨烯的层数为1。
与现有技术相比，其优点在于：开拓了石墨烯-氮化碳复合材料的应用，本发明制备出的石墨烯-氮化碳复合物作为锂离子电池负极材料具有优异的电化学性能，当复合材料中含氮量为14.5at.％时，其首次充放电可逆容量为1705mAhg-1，50次循环后，其容量可以维持在1525mAhg-1，并且具有非常好的倍率性能，当电流密度为1000mAg-1时，其可逆容量可以达到943mAhg-1，该复合材料有望作为汽车动力系统。
附图说明
图1是本发明储锂机理图。
图2是本发明实例3所制备的石墨烯-氮化碳复合物的固态核磁共振谱图(a为原料二氰二胺(C2H4N4)、氧化石墨烯(GO)和第四步得到的石墨烯-二氰二胺(GO-C2H4N4)的固态核磁共振谱图；b为氮化碳(g-C3N4)、还原氧化石墨烯(rGO)、石墨烯-氮化碳复合物(g-C3N4-rGO)的固态核磁共振谱图)。
图3是本发明实例3所制备的石墨烯-氮化碳复合物的XRD衍射谱图和Raman谱图。
图4是本发明实例3所制备的石墨烯-氮化碳复合物的投射电镜(a)、场发射扫描电镜(b)；氮气吸附/脱附曲线(c)、X射线能谱(d)。
图5分别是本发明实例5,4,3,2,1所制备的石墨烯-氮化碳复合物的首次充放电曲线(a为实施例5；b为实施例4；c为实施例3；d为实施例2；e为实施例1)。
图6是本发明实例3所制备的石墨烯-氮化碳复合物的循环性能和库伦效率曲线。
图7分别是本发明实例3和4所制备的石墨烯-氮化碳复合物的倍率性能曲线。
具体实施方式
本发明制备出的石墨烯-氮化碳复合材料作为锂离子电池负极材料具有优异的电化学性能，这主要归因于石墨烯-氮化碳复合物的独特的纳米结构：首先，通过石墨烯和氮化碳间的共价键相互作用(如图2)，能够进一步稳定石墨烯-氮化碳复合物的结构，这样可以显著提高锂离子电池的循环性能；其次，石墨烯和氮化碳间的共价键相互作用以及石墨烯优异的导电性能够使电子在集流体和电极间迅速转移，能够提高锂离子电池的倍率性能；第三，石墨烯单片层的存在(如图3)，可以显著提高复合物的比表面积，能够储存更多的锂离子；第四，氮化碳本身独特的孔道结构能够作为优秀的模板来高度分散锂离子(如图1)，从而提高储锂容量。
本发明的石墨烯-氮化碳复合材料通过以下步骤制备：
第一步：将氧化石墨在去离子水中进行超声分散30-120min，得到氧化石墨烯分散液；
第二步，将二氰二胺或三聚氰胺在去离子水中搅拌，溶解；
第三步，将前两步所得体系混合，在温度50-100℃条件下，搅拌30-360min；
第四步，将第三步所得反应体系冷却，并冷冻干燥；
第五步，将第四步所得产物在氮气气氛下，500～600℃热处理4-8小时，制得石墨烯-氮化碳复合材料。
实施实例1：
第一步：将20mg氧化石墨在去离子水中进行超声分散30min，得到氧化石墨烯溶液；
第二步，将60mg二氰二胺在去离子水中搅拌、溶解；
第三步，将前两步所得体系混合，加热至80℃，搅拌360min；
第四步，将第三步所得反应体系冷却，并冷冻干燥；
第五步，将第四步所得产物在氮气气氛下，550℃下热处理8小时，制得石墨烯-氮化碳复合材料，其中含氮量为20at.％。
将制备的石墨烯-氮化碳复合材料作为锂离子电池负极材料进行电化学性能测试，结果如图5(e)，其首次充放电可逆容量为388mAhg-1，库伦效率为36％。
实施实例2：
第一步：将20mg氧化石墨在去离子水中进行超声分散60min，得到氧化石墨烯溶液；
第二步，将40mg二氰二胺在去离子水中搅拌、溶解；
第三步，将前两步所得体系混合，加热至80℃，搅拌240min；
第四步，将第三步所得反应体系冷却，并冷冻干燥；
第五步，将第四步所得产物在氮气气氛下，600℃下热处理4小时，制得石墨烯-氮化碳复合材料，其中含氮量为18at.％。
将制备的石墨烯-氮化碳复合材料作为锂离子电池负极材料进行电化学性能测试，结果如图5(d)，其首次充放电可逆容量为1008mAhg-1，库伦效率为37％。
实施实例3：
第一步：将20mg氧化石墨在去离子水中进行超声分散60min，得到氧化石墨烯溶液；
第二步，将20mg二氰二胺在去离子水中搅拌、溶解；
第三步，将前两步所得体系混合，加热至90℃，搅拌120min；
第四步，将第三步所得反应体系冷却，并冷冻干燥；
第五步，将第四步所得产物在氮气气氛下，550℃下热处理6小时，制得石墨烯-氮化碳复合材料，其中含氮量为14.2at.％。
经固态核磁共振、XRD衍射、Raman光谱、投射电镜、场发射扫描电镜；氮气吸附/脱附曲线、X射线能谱表征，制备的石墨烯-氮化碳之间以共价键方式键合，石墨烯是单片层，石墨烯-氮化碳为介孔结构。如图2，3，4所示。
将制备的石墨烯-氮化碳复合材料作为锂离子电池负极材料进行电化学性能测试，结果如图5(c)，6和7，其首次充放电可逆容量为1705mAhg-1，50次循环后，其容量可以维持在1525mAhg-1，并且具有非常好的倍率性能，当电流密度为1000mAg-1时，其可逆容量可以达到943mAhg-1。
实施实例4：
第一步：将40mg氧化石墨在去离子水中进行超声分散60min，得到氧化石墨烯溶液；
第二步，将20mg二氰二胺在去离子水中搅拌、溶解；
第三步，将前两步所得体系混合，加热至80℃，搅拌120min；
第四步，将第三步所得反应体系冷却，并冷冻干燥；
第五步，将第四步所得产物在氮气气氛下，550℃下热处理8小时，制得石墨烯-氮化碳复合材料，其中含氮量为9.8at.％。
将制备的石墨烯-氮化碳复合物作为锂离子电池负极材料进行电化学性能测试，结果如图5(b)，其首次充放电可逆容量为1116mAhg-1，库伦效率为49％。
实施实例5：
第一步：将40mg氧化石墨在去离子水中进行超声分散60min，得到氧化石墨烯溶液；
第二步，将10mg二氰二胺在去离子水中搅拌、溶解；
第三步，将前两步所得体系混合，加热至80℃，搅拌240min；
第四步，将第三步所得反应体系冷却，并冷冻干燥；
第五步，将第四步所得产物在氮气气氛下，550℃下热处理6小时，制得石墨烯-氮化碳复合材料其中含氮量为5.0at.％。
将制备的石墨烯-氮化碳复合材料作为锂离子电池负极材料进行电化学性能测试，结果如图5(a)，其首次充放电可逆容量为1015mAhg-1，库伦效率为48％。

Claims (3)

1.一种石墨烯-氮化碳复合材料的应用，其特征在于，将所述复合材料作为锂离子电池负极材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯-氮化碳复合材料的应用，其特征在于，所述的复合材料中含氮量为5～20at.％。
3.根据权利要求1所述的石墨烯-氮化碳复合材料的应用，其特征在于，所述的复合材料中石墨烯的层数为1。
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