CN105645401A - 一种氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法 - Google Patents

一种氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法，将天然石墨粉与磁力钢针按一定比例混合，放入密封的容器内，充入氮气，将充氮气后的容器密封放入磁力研磨机，开动磁力研磨机研磨，磁力驱动钢针研磨天然石墨，并与氮气反应生成氮掺杂石墨烯纳米片。优点是：方法简单，在室温条件即可制备氮掺杂石墨烯纳米片，制备时间短，能耗低，效率高，成本低，并且，在制备过程中不需要添加对环境有害组份，对环境友好，适合大规模工业化生产，可以应用染料敏化太阳能电池对电极。

Description

一种氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法。
背景技术
氮掺杂石墨烯纳米片由于比表面积大、电导率高、表面浸润性好、表面催化活性点多等优点，因此可以作为电极材料，在锂电池、超级电容器、燃料电池和染料敏化太阳能电池领域有巨大的潜在应用。
目前，制备氮掺杂石墨烯的方法主要是化学气相沉积法和氧化石墨高温处理法，这两种方法需要较高的温度和较长的制备时间，因此所制备的氮掺杂石墨烯价格较高，不适用大规模生产和应用。
发明内容
本发明涉及一种高效、环境友好的室温制备氮掺杂石墨烯纳米片的方法，方法简单，成本低，适合大规模工业化生产和应用。
一种氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法，具体制备步骤如下：
将天然石墨粉与磁力钢针按照重量比1:40～1:30混合，放入密封的容器内，其中，磁力钢针和石墨占整个容器体积的1/4～1/3，充入氮气使陶瓷罐的压力保持在0.2MPa～0.4MPa；将充氮气后的容器密封后放入磁力研磨机，开动磁力研磨机，研磨时间为3小时～10小时，生成氮掺杂石墨烯纳米片。
所述磁力钢针的长度为0.5cm，直径为0.1cm。
所述天然石墨的细度为200目～300目。
所述密封容器为陶瓷罐或不锈钢罐。
磁力研磨机研磨时，磁力研磨机的转速为1800r/min。
磁力研磨机研磨时，保持磁力研磨机正转和反转交替进行，正转和反转的交替时间各为30min。
本发明的有益效果：
(1)、方法简单，利用磁力研磨机在磁力钢针的摩擦撞击作用下，通过磁力驱动磁力钢针研磨天然石墨粉，并使天然石墨粉与氮气反应，在室温条件即可制备氮掺杂石墨烯纳米片，制备时间短，能耗低，效率高，成本低，并且，在制备过程中不需要添加对环境有害组份(如氨气等)，对环境友好，适合大规模工业化生产和应用。
(2)、所制备的氮掺杂石墨烯纳米片对I3 -还原反应具有较高的催化活性，用于染料敏化太阳能电池对电极，取得7.69％的较高光电转换效率。
附图说明
图1是原始天然石墨的SEM图；
图2是本发明(对应实施例1)的氮掺杂石墨烯纳米片的SEM图；
图3是本发明(对应实施例2)的氮掺杂石墨烯纳米片的SEM图；
图4是本发明(对应实施例3)的氮掺杂石墨烯纳米片的SEM图；
图5是本发明(对应实施例3)的氮掺杂石墨烯纳米片的TEM图；
图6是本发明(对应实施例3)的氮掺杂石墨烯纳米片的X-射线光电子能谱图；
图7是本发明的氮掺杂石墨烯纳米片制备用于染料敏化太阳能电池对电极组装的电池光电特性曲线。
具体实施方式
实施例1
将6.5g天然石墨粉(300目)和195g磁力钢针(长度为0.5cm、直径为0.1cm)混合，放入密封的600mL陶瓷罐内，充入氮气使陶瓷罐的压力为0.4MPa；将充氮气后的陶瓷罐密封后放入磁力研磨机，开动磁力研磨机，控制磁力研磨机的转速为1800r/min，保持磁力研磨机正转和反转交替进行，正转和反转的交替时间各为30min，研磨总时间为3小时，得到氮掺杂石墨烯纳米片，其比表面积为480m2/g、氮含量为1.1％的氮掺杂石墨烯纳米片(如图2所示)，由图2可以看出，与天然石墨相比(图1)，可以有效的把大片天然石墨磨成小尺寸纳米片，所制备的氮掺杂石墨烯纳米片大小为0.5μm～3μm的纳米片结构。
实施例2
将5g天然石墨粉(200目)与200g磁力钢针(长度为0.5cm、直径为0.1cm)混合，放入密封的800mL陶瓷罐内，充入氮气使陶瓷罐的压力为0.2MPa；将充氮气后的陶瓷罐密封后放入磁力研磨机，开动磁力研磨机，控制磁力研磨机的转速为1800r/min，保持磁力研磨机正转和反转交替进行，正转和反转的交替时间各为30min，研磨总时间为10小时，得到氮掺杂石墨烯纳米片，其比表面积为760m2/g、氮含量为3.4％的氮掺杂石墨烯纳米片(如图3所示)，由图3可以看出，所制备的氮掺杂石墨烯纳米片大小为50nm～600nm的纳米片结构。
实施例3
将4g天然石墨粉(200目)与140g磁力钢针(长度为0.5cm、直径为0.1cm)混合，放入密封的500mL陶瓷罐内，充入氮气使陶瓷罐的压力为0.3MPa；将充氮气后的陶瓷罐密封后放入磁力研磨机，开动磁力研磨机，控制磁力研磨机的转速为1800r/min，保持磁力研磨机正转和反转交替进行，正转和反转的交替时间各为30min，研磨总时间为7小时，得到氮掺杂石墨烯纳米片，其比表面积为670m2/g、氮含量为2.7％的氮掺杂石墨烯纳米片(如图4和图5所示)，由图4可以看出，所制备的氮掺杂石墨烯纳米片大小为100nm～800nm的纳米片结构。图6为该氮掺杂石墨烯纳米片的X-射线光电子能谱，图6显示有C1s、O1s和N1s峰，表明氮成功掺入碳结构。由N1s峰面积计算氮含量为2.7％。
本发明的氮掺杂石墨烯纳米片可以应用于染料敏化太阳能电池的对电极。利用本发明实施例3的氮掺杂石墨烯纳米片制备对电极，并应用于染料敏化太阳能电池。具体步骤如下：
(1)、首先对导电玻璃进行清洗预处理；
(2)、100mg所制备氮掺杂石墨烯纳米片与10mL正丁醇、0.01mL钛酸丁酯混合，并研磨成碳浆；
(3)、将上述碳浆涂敷到处理好的导电玻璃上，厚度控制5μm，200℃下处理15min，形成对电极；
(4)、然后将二氧化钛浆料涂敷在处理好的导电玻璃上，厚度控制10μm，450℃下热处理后浸入染料中吸附，过夜，形成电池的工作电极；
(5)、在工作电极上压上对电极，两电极间的缝隙填充含有I-/I3 -氧化还原对(0.5MI2,0.05MI3 -)的电解质，制备成染料敏化太阳能电池，其电池光电特性曲线如图7所示。
电池性能的测试是通过从电池的的工作电极与对电极上引出两条导线接到电池性能测试装置上。电池的工作面积为0.2cm-2，光照强度是100mw/cm2。填充因子(ff)是指在I-V曲线中可获得最大输出功率的点上的电流电压乘积(Iopt×Vopt)与Isc×Voc(Isc为短路光电流，Voc为开路光电压)之比，它体现电池的输出功率随负载的变动特性。光电转换效率(η)则是Iopt×Vopt与输入的光功率Pin之比。图7是所组装染料敏化太阳能电池的光电特性曲线，由图7可以看出该染料敏化太阳能电池开路电压0.719V，短路电流密度16.15mAcm-2，填充因子0.66；由图7可以计算出电池的光电转换效率为7.69％。因此所制备的氮掺杂石墨烯纳米片可用来制备染料敏化太阳能电池对电极。
以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法，其特征是：
具体制备步骤如下：
将天然石墨粉与磁力钢针按照重量比1:40～1:30混合，放入密封的容器内，其中，磁力钢针和石墨占整个容器体积的1/4～1/3，充入氮气使陶瓷罐的压力保持在0.2MPa～0.4MPa；将充氮气后的容器密封后放入磁力研磨机，开动磁力研磨机，研磨时间为3小时～10小时，生成氮掺杂石墨烯纳米片。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法，其特征是：所述磁力钢针的长度为0.5cm，直径为0.1cm。
3.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法，其特征是：所述天然石墨的细度为200目～300目。
4.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法，其特征是：所述密封容器为陶瓷罐或不锈钢罐。
5.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法，其特征是：磁力研磨机研磨时，磁力研磨机的转速为1800r/min。
6.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法，其特征是：磁力研磨机研磨时，保持磁力研磨机正转和反转交替进行，正转和反转的交替时间各为30min。
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