CN109346338B - 一种氮掺杂石墨烯的快速室温制备方法 - Google Patents
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Abstract
在本专利中，以碱性气体氨气为氮源，偏酸性氧化石墨烯(pH≤6)为碳源，采用室温酸碱中和法，快速制备氮掺杂的石墨烯粉体材料。通过控制氧化石墨烯在清洗过程中的pH值和残存的水含量，与碱性气体氨气发生酸碱中和反应，利用所释放的热量，快速大批量合成还原氧化石墨烯，制备出高性能氮掺杂石墨烯粉体材料。氮原子的掺杂可以有效地提升石墨烯的电导率，并贡献赝电容，有效地降低了电极的极化，电极的电化学性能尤其是倍率性能得到提高。此工艺方法简单实用，成本低廉，超低能耗，生产工艺易于扩大化，便于大规模制备电化学性能优良的超级电容器用电极材料。
Description
技术领域
本发明属于材料合成技术领域，具体涉及石墨烯材料的制备技术。
背景技术
超级电容器是一种新型能量存储与转换装置，其具有充电时间短、使用寿命长、安全性好、节能环保等特点。其超长的循环寿命使其在汽车，通讯，航空航天，军事工业等方面得到了广泛的应用。超级电容器按照其电荷储存机理的不同，一般分为双电容储存机理和赝电容存储机理。其中，双电容存储机理所采用的碳材料，因其低廉的成本，良好的充放电特性被科研工作者深入研究。
目前而言，超级电容器用碳材料包含有活性炭，碳纳米管，石墨烯，碳纤维，碳气凝胶 等种类。其中，石墨烯作为碳材料家族的新成员，相比于其它材料具有良好的导电性、巨大 的比表面积，高比电容等特点，成为一种理想的超级电容器用电极材料。同时，大量的研究 工作进一步证明异质原子掺杂的石墨烯具有更好的电化学能量存储性能。戴宏杰课题组的研 究人员采用电化学的方法，首次利用高能电烧蚀的方法制备了氮掺杂的石墨烯(Science,2009, (324):768-771)并发现氮掺杂有利于产生石墨烯的缺陷，促使电化学性能的显著变化。加州 大学伯克利分校的段镶锋课题组和中国科技大学的李景宏课题组合作，采用室温液相法，利 用钠-氨水溶液作为还原剂，也成功制备出了还原的氧化石墨烯。(Nature Communication,2013, (4)1539)。近期，我们课题组采用水热还原法，制备了具有多孔结构的硼掺杂石墨烯材料， 获得了较高的电化学比电容和循环性能。(Diamond&Related Materials,2018,(89)114-121) 但是，上述方法所获得石墨烯材料，或者需要较高的能量，或者需要相对复杂的液相工艺， 或许无法进行还原过程的精确控制。这无疑会增加石墨烯材料的合成成本，不利于石墨烯材 料的进一步推广应用。
发明内容
本发明是要解决常规氮掺杂石墨烯材料面临的高能耗，长时间，工艺复杂，难以精确调 控的技术问题，而提供一种高效，快捷，超低能耗，易于工业化推广的氮掺杂石墨烯制备新 技术。
本发明的技术方案如下：一种氮掺杂石墨烯的电极材料，该石墨烯复合材料的C含量为 85-98％，氮含量为2-15％；该石墨烯材料的微观形貌为：单层石墨烯的叠层复合物。
氮掺杂石墨烯的快速室温制备方法，包括步骤如下：
1)采用不同尺寸的可膨胀石墨(2-400μm)为氧化石墨烯原料。
2)采用Hummers或者改进过的Hummers方法制备氧化石墨烯。其中，通过控制石墨与高锰酸钾的比例(1:3-1:9)，来调节氧化石墨烯的相对氧化程度。
3)采用盐酸、硝酸、硫酸、磷酸等无机酸，或者柠檬酸、醋酸的有机酸为偏酸性氧化石 墨烯的酸源，来调控不同的酸碱值(pH≤6)。
4)采用冷冻干燥的方法(-40℃至-80℃)，通过控制不同干燥时间(6至72小时)，进而控制氧化石墨烯的含水量。
5)将控制干燥程度的氧化石墨烯置于管式炉的炉管内，利用真空泵进行空气/氮气的抽 气和灌气，待进行三次循环后，将氮气换成氨气，控制氨气的流量。
6)经2-10分钟的氨气与氧化石墨烯充分反应，可获得黑色、蓬松的还原氧化石墨烯粉 体材料。
7)若使用KOH等活化剂方法进行活化，其中活化剂与还原氧化石墨烯粉体的质量比例 为1:1至1:4，活化温度为500-900℃，活化时间为1-4小时，可获得性能更好的石墨 烯粉体材料。
根据本发明优选的，步骤1)中所述的可膨胀石墨的尺寸为15微米。
根据本发明优选的，步骤2)中所述的石墨与高锰酸钾的比例(1:3-1:9)，优选的石墨和高锰酸钾的比例为1:8。
根据本发明优选的，步骤3)中所述的无机酸为硫酸和磷酸，体积比为10:1，所控制的酸碱值为5.8-6.1。
根据本发明优选的，步骤4)中所述的冷冻干燥温度为-50℃，冷冻时间为96小时，水分含量为1.2-1.5％。
根据本发明优选的，步骤5)中所述的氨气的流量为50sccm。
根据本发明优选的，步骤6)中所述的反应时间为3分钟。
根据本发明优选的，步骤7)中所述的活化剂与还原氧化石墨烯的比例为1：2，活化温度为700℃，活化时间为2小时。
本发明相比目前采用的氮掺杂石墨烯制备技术，具有以下优势：
1)通过氧化石墨烯制备过程的微调控，包括酸源的遴选和清洗工艺的调节，即可获 得不同偏酸性的氧化石墨烯，工艺简单，易于操作。
2)通过控制冷冻干燥的时间，即可控制氧化石墨烯的相对含水量，易于实现。
3)通过简单的氨气与偏酸性氧化石墨烯之间的酸碱中和反应，利用中和反应所释放 的热量，就可以实现氧化石墨烯的还原。无需外加热还原、光还原、电化学还原等复 杂的工艺。
4)数分钟即可实现氧化石墨烯的还原，且获得的直接为粉体材料，无需常规液相合 成方法的二次干燥工艺，生产效率可得以大幅提高。
5)所合成产品的产量，仅需要放大氧化石墨烯存储的容器，即可实现，易于降低量产成本，利用工业化推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附 图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域 普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1.氧化石墨烯和氨气还原氧化石墨烯的XRD图；
图2.氧化石墨烯和氨气还原氧化石墨烯的拉曼光谱图；
图3.氨气还原氧化石墨烯的SEM图；
图4.氨气还原氧化石墨烯的循环伏安性能曲线
图5.氨气还原氧化石墨烯的恒流充放电性能曲线
具体实施方式：
实施例1
称取2g可膨胀石墨，按照1:6的质量比称取12g高锰酸钾，加入300ml浓硫酸中，冰浴控温的情况下，充分搅拌30分钟，形成均匀的悬浮液。切记，高锰酸钾不可加入过快！按照Hummers的方法，制备出橘黄色的氧化石墨烯的分散液。将所得分散液，用盐酸、无水乙醇、去离子水等清洗数遍，以达到pH值约6.4为止。加入少量水进行分散，获得均匀的氧化石墨烯分散水溶胶。将所得的水溶胶放入冷冻干燥机中，-50℃下干燥96小时。将所得的蓬松棕黄色粉体材料，置入管式炉中，采用抽气/灌气的方式，以氮气为保护气，进行三次循环。 将所用的氮气更换为氨气，控制气体流量为50sccm/min。经过3分钟的反应，所得黑色、蓬 松粉体材料收集，即获得目标产物-氨气还原氧化石墨烯材料。
本实施例制备的氮掺杂石墨烯粉体与原料氧化石墨烯的XRD如图1所示，本实施例制备 的氮掺杂石墨烯的拉曼光谱图和扫描电子显微镜照片如图2和图3所示。
电化学性能测试，将本实施例所制备的氮掺杂石墨烯用于水系超级电容器，采用涂覆的 方法制备电极。将本实施例所制备的氮掺杂石墨烯、super p和聚四氟乙烯(PTFE)按8:1:1 的质量比充分研磨混合，加入乙醇进行搅拌，将所得到的浆料均匀涂覆于泡沫镍表面，经80℃ 干燥6小时和120℃真空干燥12h，自然冷却后经10MPa压制后，得到超级电容器电极片。 以Hg/HgO为参比电极、金属铂片为对电极，6M KOH为电解液，采用三电极测试体系在 CHI660E电化学工作站上进行循环伏安和恒流充放电测试。
当测试电压范围为-1至0V时，本实施例所制备的电极材料在5mV/s和200mV/s的扫描 速率下，均具有良好的可逆性，如图4所示。本实施例所制备的电极材料在1A/g的充放电电流下的比电容为201F/g；30A/g下的比电容为80F/g，如图5所示，说明本发明所制备的 电极材料具有优异的电化学电容性能。
Claims (1)
1.一种可用于超级电容器的石墨烯粉体材料的制备方法，其步骤为：
1)采用尺寸为2-400μm的可膨胀石墨为氧化石墨烯原料；
2)采用Hummers或者改进过的Hummers方法制备偏酸性氧化石墨烯；其中，通过控制石墨与高锰酸钾的比例为1:3-1:9，来调节氧化石墨烯的相对氧化程度；
3)采用盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、柠檬酸或醋酸作为偏酸性氧化石墨烯的酸源，来调控酸碱值，使pH=6.4；
4)采用冷冻干燥的方法，于-50℃下干燥96小时，以控制氧化石墨烯的含水量；
5)将控制干燥程度的氧化石墨烯置于管式炉的炉管内，利用真空泵对空气进行抽气以及进行氮气的灌气，待进行三次循环后，将氮气换成氨气，控制氨气的流量；
6)经2-10分钟，氨气与氧化石墨烯充分反应，获得黑色、蓬松的还原氧化石墨烯粉体材料；
7)使用KOH活化剂进行活化，其中活化剂与还原氧化石墨烯粉体的比例为1:1至1:4，活化温度为500-900℃，活化时间为1-4小时，获得用于超级电容器的氮掺杂石墨烯粉体材料。
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