CN109449006A - 一种磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备工艺，包括如下步骤：(1)水热反应：将氮源溶解在去离子水中，加入氧化石墨烯溶液并超声预定时间，加入磷源继续超声预定时间得到混合溶液，然后转移至高压反应釜进行水热反应得到水凝胶；其中，所述氮源为芳香族多胺中的一种或多种，所述磷源为磷酸或磷酸盐；(2)氧化聚合：将步骤(1)中的水凝胶冷却后加入氯化铁溶液，密封并在预定温度下静置预定时间得到复合水凝胶；(3)碳化活化。本发明制备方法简单，成本低，生产效率高且无污染物生成，制备的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料应用于超级电容器电极具有优异的比电容值，高循环稳定，能量密度高，具备优异的电化学性能。
Description
技术领域
本发明属于超级电容器碳材料的制备技术领域，具体涉及一种磷氮掺杂石 墨烯多孔碳复合材料的制备工艺。
背景技术
超级电容器碳电极材料具有多层次孔结构，大的比表面积和丰富的活性位 点是获得高电化学性能的关键。石墨烯作为一种二维超薄蜂窝状碳结构材料， 具有很多超群的物理、化学和力学性能，因此被广泛应用于超极电容器电极材 料的研究领域。然而，石墨烯材料价格昂贵、产率低、延展性差、制备过程繁 琐等缺点，加上石墨烯片层的电子能谱中能隙过小，易于堆叠或团聚等因素， 极大限制了其在实际工业上的应用。同时，随着社会经济的快速发展，当前商 业化碳基超级电容器电极材料的能量密度普遍集中在5～10Wh kg-1，且单纯的 碳材料的电容性能并不理想，难以满足电子产品设备尤其是动力电源快速发展的需求。因此，开发和研制具有高比电容、高能量密度和长循环性能的电极材 料已成为促进超级电容器技术发展和应用于实际的关键。
研究表明，通过有效结合双电层电容和赝电容是获得高能量密度、高功率 密度和优异循环稳定性的超级电容器的关键。杂原子掺杂是增强碳基材料电化 学储能性能的一种常用方法。大量理论计算和实验结果表明，杂原子掺杂对碳 材料的影响主要有以下几个原因：1)掺杂可有效调控碳材料的电子结构，在碳 原子网络内形成大量缺陷，使边缘面比例大幅增加，将有利于其余电解质离子 的相互作用；2)掺杂改变碳分子网络的电中性而增强对电解质离子的吸附活 性；3)掺杂提高了碳材料的导电性和润湿性，提高碳材料的可利用比表面积； 4)掺杂可引入赝电容。在所有杂原子掺杂中，氮元素掺杂的研究最早且最多。氮原子掺入碳材料，可有效增强碳材料的比表面积、提高电极材料表面的润湿 性和导电性，同时通过带入含氮官能团引起的氧化还原反应而大幅提升比电容 值。而磷原子的半径更大，且具有更强的给电子能力，同时磷掺杂可有效抑制 碳化过程中的孔道收缩，增加碳表面的含氧官能团，改善材料的电子传输能力， 少量的磷原子掺杂以改善材料的性质。
有关氮、磷原子的共掺杂在超级电容器电极材料的研究逐渐成为一个热点， 其优势在于可以大幅地提升电极材料的比电容值和能量密度。但是现有技术的 研究多实验过程复杂，不利于工业化发展，大部分相关工作的能量密度都集中 在20Wh kg-1以下，因此实现对碳材料的磷氮共掺杂依然是一个很有潜力的挑 战，特别是掺杂石墨烯。
综上所述，亟需开发一种工艺制备方法简单，成本低，生产效率高且无污 染物生成，制备的产品应用于超级电容器电极具有优异的比电容值，高循环稳 定性和高的能量密度。
发明内容
本发明的目的是提供一种磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备工艺，该 工艺制备方法简单，成本低，生产效率高且无污染物生成，制备的磷氮掺杂石 墨烯多孔碳复合材料应用于超级电容器电极具有优异的比电容值，高循环稳定 性和高的能量密度。
上述目的是通过如下技术方案实现：一种磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料 的制备工艺，包括如下步骤：
(1)水热反应：将氮源溶解在去离子水中，加入氧化石墨烯溶液并超声预 定时间，加入磷源继续超声预定时间得到混合溶液，所得混合溶液中氧化石墨 烯浓度为1～2mgmL-1，将上述混合溶液转移至高压反应釜进行水热反应，得到 水凝胶；其中，所述氮源为芳香族多胺中的一种或多种，所述磷源为磷酸或磷 酸盐；
(2)氧化聚合：将步骤(1)中的水凝胶冷却后加入氯化铁溶液，密封并 在预定温度下静置预定时间得到复合水凝胶；
(3)碳化活化：将步骤(2)中的复合水凝胶直接冷冻干燥，置于反应器 中，在氮气保护下以2～5℃min-1的升温速率升至700～900℃保持预定时间， 待自然冷却后取出产物，然后将所得样品用盐酸溶液浸泡后用去离子水洗涤， 去除残余杂质或金属离子，再将洗涤后的产品在预定温度下干燥，最后研磨、 过筛得到磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料。
本发明以氧化石墨烯为模板、芳香族多胺为氮源以及磷酸或磷酸盐为磷源 和活化剂，首先水热合成了具有三维网络结构的水凝胶，接着用氯化铁氧化聚 合过剩的邻苯二胺，最后高温退火处理得到材料，其中，三维网络结构和磷酸 活化主要提供大的比表面积和良好的离子扩散能力以及电荷存储能力，磷氮原 子的掺杂对石墨烯造成大量的结构缺陷，改变石墨烯片层上碳网络的电中性， 增加电导率，同时提升材料的可润湿性和比表面积，引入赝电容行为等。本发 明制备方法简单，成本低，性能稳定，生产效率高且无污染物生成。实验结果 表明，基于水系电解液，该材料应用于超级电容器电极具有优异的比电容值， 高循环稳定，能量密度高于商业活性碳的超级电容器性能以及大部分磷氮掺杂 多孔碳材料。
进一步的技术方案是：所述芳香族多胺为邻苯二胺、间苯二胺或对苯二胺。
进一步的技术方案是：所述氮源为邻苯二胺，所述磷源为磷酸。
进一步的技术方案是：所述步骤(1)中的水热反应温度为90～120℃，反 应时间为4～8h。
进一步的技术方案是：所述步骤(1)中氮源与氧化石墨烯的质量比为 1:8～12。
进一步的技术方案是：所述氮源与磷源的摩尔比为1:2～4。
进一步的技术方案是：所述氮源与氯化铁的摩尔比为1:3～5。
进一步的技术方案是：所述步骤(3)的反应时间为2h。
进一步的技术方案是：所述氮气气体的流速为80～150mL min-1。
进一步的技术方案是：所述步骤(2)中冷冻干燥条件为-75℃、小于2mbar 的环境。
进一步的技术方案是：所述步骤(3)中过筛所用筛子的目数为400目，所述 步骤(3)的反应器为真空管式炉。
本发明提供的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料，尤其是以邻苯二胺为氮源， 磷酸为磷源时，构建的三维网络结构可以明显改善材料的孔隙结构，氯化铁氧 化聚合进一步促使剩余邻苯二胺的再聚合交联，磷氮原子的掺杂可以进一步提 高石墨烯的电子转移速率和电化学活性。
本发明制备的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的工艺，在石墨烯碳骨架中 引入磷、氮原子，使碳层中石墨微晶平面层产生诸多位错、弯曲、离位等具有 不成对电子的缺陷位；同时磷、氮原子的引入使材料表面具有丰富的官能团， 可增强材料表面润湿性，提高材料性能。
由本发明工艺制备的比例最佳的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的工艺， 由于其具有高的比表面积，具有短的离子输运距离以及适量的掺杂，因此该材 料具有良好的电化学储能性能，经测试，其比表面积达到1101.6m2g-1，总孔 体积为0.779cm3g-1，含氮量6.18％，含磷量1.24％；实验结果表明，使用其 制备的超级电容器电极具有高比电容，理想的赝电容、高循环稳定性，性能优 于商业活性碳的超级电容器性能以及大部分杂原子掺杂多孔碳材料。
本发明操作简单，重复性好，成本低廉和环境友好等优点，且制备的磷氮 掺杂石墨烯多孔碳复合材料和超级电容的电极具有优异的电化学性能，与文献 中报道的同类材料相比具有很大的优势。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示 意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材与未掺杂的石墨烯的SEM和TEM图；
图2为磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的BET吸附曲线图及孔径分布图；
图3为磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的XPS图；
图4为不同材料的三电极体系的电化学性能测试图；其中，图(a)为单一掺杂 及磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料在1A g-1电流下的GCD曲线；图(b)为磷 氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料在不同电流密度下的GCD曲线；图(c)为由GCD 曲线计算得到的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料在不同电流密度下的容量；图 (d)为磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料在10Ag-1电流密度下的储能容量的循 环稳定性图；
图5为不同材料的两电极体系的电化学性能测试：其中，图(a)为磷氮掺杂石 墨烯多孔碳复合材料组装成对称超级电容器的CV窗口测试(1.0～1.6V)；图(b) 为在工作窗口为1.5V下的不同电流度的GCD曲线；图(c)为由GCD曲线计 算得到的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料组装的对称超级电容器装置在不同电 流密度下的比电容量；图(d)为能量密度/功率密度曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性， 不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文 件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
实施例1
将300mg邻苯二胺溶解在8.8mL去离子水中，加入7mL氧化石墨烯(GO) 溶液(4.3mgmL-1)并超声30min，加入4.2mL磷酸溶液(2M)继续超声30min， 所得GO浓度为1.5mg mL-1。
将上述溶液转移至高压反应釜于90℃保持6h，待冷却至室温取出反应物， 将其置于35℃水浴锅，加入8.9mL的氯化铁溶液(1M)密封静置24h，冷 冻干燥得到混合物。
在氮气环境中以3℃min-1速率升温至800℃，保持2h，待管式炉冷却至 室温收集样品，随后1M盐酸溶液中浸泡，然后洗涤、干燥并过400目筛以备 用。将制得的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料洗涤干燥。经测试其比表面积为 1101.6m2g-1，总孔体积为0.779cm3g-1，含氮量为6.18％，含磷量为1.24％。
将按照1:1:8比例的商业乙炔黑、聚四氟乙烯、磷氮掺杂石墨烯多孔碳材料 混合均匀，加入酒精和水调制成泥泞状，采用刮涂法均匀涂覆在面积为1cm2的不锈钢网电极片上，20Mpa压实，制备超级电容器电极材料。
如图1(a)所示，通过对比磷氮掺杂石墨烯多孔碳材料复合前后的的SEM 图，可以清楚看到褶皱层状的磷氮掺杂多孔碳材料，表现出更多的孔洞，这种 结构特点使其作为超级电容器电极材料有利于与电解质的充分接触，从而提高 电荷的传递速率。
图2为本实施例下磷氮掺杂石墨烯多孔碳材料的BET吸脱附曲线及孔径分 布图，可证明该材料具有较高的比表面积(1106.1m2g-1)，且具有微孔(～1.6nm) 和介孔(～3.5nm)的层级孔径分布。
图3为本发明制备的磷氮掺杂石墨烯多孔碳材料的X射线光电子能谱图， 可证明磷氮元素成功被掺杂到石墨烯晶格中，经计算得到的磷、氮含量分别为 1.24％和6.18％。磷氮元素的引入在改善材料的导电性，润湿性和稳定性的同时， 还提供赝电容而增大材料的比电容值。
图4是磷氮掺杂石墨烯碳材料与其他对比样基于6M KOH电解液，在三电 极体系下的超级电容器性能，(a)在电流密度为1A g-1的充放电曲线，显示了 样品P/N-GC具有最大的储能容量；(b)进一步研究了样品P/N-GC在不同电流 密度下的充放电曲线，计算得到的比电容值显示在(c)中，可以看到在0.5A g-1电流密度下的储能容量高达440Fg-1，当电流密度增至20A g-1时，仍然还有 275.5F g-1；(d)显示了P/N-GC样品在10Ag-1电流密度下循环3000后的容量 保留情况，经3000次循环后的容量较初始值仍然还有96.1％，具有良好的稳定性。
图5为是磷氮掺杂石墨烯碳材料基于6M KOH电解液，在两电极体系下的 超级电容器性能，(a)在20mV s-1扫描速率下，P/N-GC//P/N-GC在不同工作 窗口下的CV测试；(b)基于窗口为1.5V的1Ag-1电流密度下的充放电曲线， 根据不同电流密度的充放电曲线，计算得到的储能容量显示在(c)中，在0.5A g-1电流密度下的比电容值为346.1F g-1；(d)显示了P/N-GC//P/N-GC在不同电 流密度下的能量密度/功率密度图，可以看到基于6M水性KOH电解质的最高 能量密度可达25.5Wh kg-1，最高功率密度为14960W kg-1。
实施例2
将邻苯二胺与磷酸和氧化石墨烯溶液经水热反应、氯化铁聚合和冷冻干燥。 称取2g所得样品放入管式炉在氮气气氛下于700℃焙烧2h，在1M盐酸溶液 里浸泡洗涤，然后干燥并过400目筛以备用。
将按照1:1:8比例的商业乙炔黑、聚四氟乙烯、磷氮共掺杂石墨烯多孔碳材 料混合均匀，加入酒精与水的混合溶液调成泥浆状，采用刮涂法均匀涂抹在1 cm2的不锈钢网上烘干，20Mpa压实，制备超级电容器电极。
经测试，制备的超级电容器电极材料的比电容值为390F g-1。
实施例3
将邻苯二胺与磷酸和氧化石墨烯溶液经水热反应、氯化铁聚合和冷冻干燥。 称取2g所得样品放入管式炉在氮气气氛下于900℃焙烧2h，随后1M盐酸浸 泡洗涤、干燥并过400目筛以备用。
将按照1:1:8比例的商业乙炔黑、聚四氟乙烯、磷氮共掺杂石墨烯多孔碳材 料混合均匀，加入酒精与水的混合溶液调成泥浆状，采用刮涂法均匀涂抹在1 cm2的不锈钢网上烘干，20Mpa压实，制备超级电容器电极。
经测试，制备的超级电容器电极材料的比电容值为274F g-1。
实施例4
将邻苯二胺与氧化石墨烯溶液经水热反应、氯化铁聚合和冷冻干燥。称取 2g所得样品放入管式炉在氮气气氛下于800℃焙烧2h，随后1M盐酸浸泡洗 涤、干燥并过400目筛以备用。
将按照1:1:8比例的商业乙炔黑、聚四氟乙烯、氮掺杂石墨烯多孔碳材料混 合均匀，加入酒精与水的混合溶液调成泥浆状，采用刮涂法均匀涂抹在1cm2的不锈钢网上烘干，20Mpa压实，制备超级电容器电极(记为N-GC)。
图1(b)显示的是单一氮掺杂的石墨烯材料(N-GC)的扫描电子显微镜 图，丰富的三维褶皱结构有效阻止了石墨烯片层的堆叠和团聚。
图4(a)为1Ag-1电流密度的充放电曲线图，经测试，制备的超级电容器 电极材料的比电容值为324.4F g-1。
实施例5
将磷酸与氧化石墨烯溶液经水热反应和冷冻干燥。称取2g所得样品放入管 式炉在氮气气氛下于800℃焙烧2h，随后1M盐酸浸泡洗涤、干燥并过400 目筛以备用。
将按照1:1:8比例的商业乙炔黑、聚四氟乙烯、氮掺杂石墨烯多孔碳材料混 合均匀，加入酒精与水的混合溶液调成泥浆状，采用刮涂法均匀涂抹在1cm2的不锈钢网上烘干，20Mpa压实，制备超级电容器电极(记为P-GC)。
图1(c)显示的是单一磷掺杂的石墨烯材料(P-GC)的扫描电子显微镜图， 结构致密的形貌来源于磷原子强烈的吸电子能力导致石墨烯片层的收缩。
图4(a)为1Ag-1电流密度的充放电曲线图，经测试，制备的超级电容器 电极材料的比电容值为248F g-1。
实施例2—5与实施1比较，是在不同反应条件进行的性能测试，每一个变 量都是在其他参数不变的情况下调整的。
实施例6
将单纯的氧化石墨烯溶液经水热反应、加入氯化铁和冷冻干燥。称取2g 所得样品放入管式炉在氮气气氛下于800℃焙烧2h，随后1M盐酸浸泡洗涤、 干燥并过400目筛以备用。
将按照1:1:8比例的商业乙炔黑、聚四氟乙烯、氮掺杂石墨烯多孔碳材料混 合均匀，加入酒精与水的混合溶液调成泥浆状，采用刮涂法均匀涂抹在1cm2的不锈钢网上烘干，20Mpa压实，制备超级电容器电极(记为rGO)。
图1(d)显示的是单纯的石墨烯材料(rGO)的扫描电子显微镜图没有磷 氮原子的掺入，单纯的石墨烯片层互相堆叠，形成三维多孔结构。
图4(a)为1Ag-1电流密度的充放电曲线图，经测试，制备的超级电容器 电极材料的比电容值为156F g-1。
实施例7
将芳香族多胺的对苯二胺与磷酸和氧化石墨烯溶液经水热反应、氯化铁聚 合和冷冻干燥。称取2g所得样品放入管式炉在氮气气氛下于800℃焙烧2h， 随后用1M盐酸浸泡洗涤，然后干燥并过400目筛以备用。
将按照1:1:8比例的商业乙炔黑、聚四氟乙烯、磷氮共掺杂石墨烯多孔碳材 料混合均匀，加入酒精与水的混合溶液调成泥浆状，采用刮涂法均匀涂抹在1 cm2的不锈钢网上烘干，20Mpa压实，制备超级电容器电极。
经形貌表征，发现该磷氮共掺杂石墨烯碳材料具有大量的块状物相互堆叠， 没有明显的三维孔洞存在。
经测试，制备的超级电容器电极材料的比电容值为416F g-1。
实施例8
将芳香族多胺的间苯二胺与磷酸和氧化石墨烯溶液经水热反应、氯化铁聚 合和冷冻干燥。称取2g所得样品放入管式炉在氮气气氛下于800℃焙烧2h， 随后1M盐酸浸泡洗涤，然后干燥并过400目筛以备用。
将按照1:1:8比例的商业乙炔黑、聚四氟乙烯、磷氮共掺杂石墨烯多孔碳材 料混合均匀，加入酒精与水的混合溶液调成泥浆状，采用刮涂法均匀涂抹在1 cm2的不锈钢网上烘干，20Mpa压实，制备超级电容器电极。
经形貌表征，发现该磷氮掺杂石墨烯碳材料表现出许多片层卷曲形成的沟 壑状，且大量褶皱相互重叠。
经测试，制备的超级电容器电极材料的比电容值为386F g-1。综述实施例7 和8的结果表明：氨基官能团位置的不同对最终产品形貌以及电化学性能的影 响非常之大，可能原因是基团的位置不同，导致其各自的物理化学活性有所差 异。
实施例9
将磷酸氢铵、邻苯二胺与氧化石墨烯溶液经水热反应和冷冻干燥。称取2g 所得样品放入管式炉在氮气气氛下于800℃焙烧2h，随后1M盐酸浸泡洗涤， 干燥并过400目筛以备用。
将按照1:1:8比例的商业乙炔黑、聚四氟乙烯、磷氮共掺杂石墨烯多孔碳材 料混合均匀，加入酒精与水的混合溶液调成泥浆状，采用刮涂法均匀涂抹在1 cm2的不锈钢网上烘干，20Mpa压实，制备超级电容器电极。
经测试，制备的超级电容器电极材料的比电容值为384.5F g-1。在实验过程 中发现，选用磷酸氢铵作为磷掺杂剂的电化学性能不及磷酸。
实施例10
将磷酸、邻苯二胺与氧化石墨烯溶液经水热反应，其中邻苯二胺与氧化石 墨烯的质量比分别为为1:8、1:12。待反应釜冷却至室温取出反应物，将其置于 35℃水浴锅，加入8.9mL的氯化铁溶液(1M)密封静置24h，冷冻干燥得到 混合物。
在氮气环境中以3℃min-1速率升温至800℃，保持2h，待管式炉冷却至 室温收集样品，随后1M盐酸浸泡洗涤、干燥并过400目筛以备用。
经测试，制备的超级电容器电极材料的比电容值分别为418F g-1、422.4F g-1。结果表明邻苯二胺与氧化石墨烯的质量比为1:10时的电化学性能最优。
实施例11
将磷酸、邻苯二胺与氧化石墨烯溶液经水热反应，其中邻苯二胺与磷酸的 分别为摩尔比为1:2、1:4。待反应釜冷却至室温取出反应物，将其置于35℃ 水浴锅，加入8.9mL的氯化铁溶液(1M)密封静置24h，冷冻干燥得到混合 物。
在氮气环境中以3 min-1速率升温至800℃，保持2h，待管式炉冷却至 室温收集样品，随后1M盐酸浸泡洗涤，干燥并过400目筛以备用。
经测试，制备的超级电容器电极材料的比电容值分别为394F g-1、426F g-1。 结果表明邻苯二胺与磷酸的摩尔比为1:3时的电化学性能最优。
实施例12
将磷酸、邻苯二胺与氧化石墨烯溶液经水热反应6h，其中水热温度分别为 100℃、120℃。待反应釜冷却至室温取出反应物，将其置于35℃水浴锅，加 入8.9mL的氯化铁溶液(1M)密封静置24h，冷冻干燥得到混合物。
在氮气环境中以3℃min-1速率升温至800℃，保持2h，待管式炉冷却至 室温收集样品，随后1M盐酸浸泡洗涤，干燥并过400目筛以备用。
经测试，制备的超级电容器电极材料的比电容值分别为429F g-1、405F g-1。 结果表明水热温度为90℃时的电化学性能最优。
实施例13
将磷酸、邻苯二胺与氧化石墨烯溶液经水热反应，其中水热时间分别为4h、 8h。待反应釜冷却至室温取出反应物，将其置于35℃水浴锅，加入8.9mL的 氯化铁溶液(1M)密封静置24h，冷冻干燥得到混合物。
在氮气环境中以3℃min-1速率升温至800℃，保持2h，待管式炉冷却至 室温收集样品，随后1M盐酸浸泡洗涤，干燥并过400目筛以备用。
经测试，制备的超级电容器电极材料的最佳比电容值分别为408F g-1 422F g-1。结果表明水热时间为6h的电化学性能最优。
对比例
将磷酸、邻苯二胺与氧化石墨烯溶液经水热反应。待反应釜冷却至室温取 出反应物，直接冷冻干燥得到混合物，即不加氯化铁与邻苯二胺发生聚合效应。 以及邻苯二胺与氯化铁的摩尔比为1:3、1:5。
在氮气环境中以3℃min-1速率升温至800℃，保持2h，待管式炉冷却至 室温收集样品，随后1M盐酸浸泡洗涤，干燥并过400目筛以备用。
经测试，不加氯化铁制备的超级电容器电极材料在电流密度为0.5Ag-1的 比电容值为424.5F g-1，当电流密度增至20A g-1时的比电容保留率仅为44％。 而邻苯二胺与氯化铁的摩尔比为1:3、1:5的超级电容器电极材料的最大比电容 值分别为430F g-1、406F g-1，且在20Ag-1时的比电容保留率还有50％以上。结 果表明氯化铁的加入，有助于材料结构的稳定，从而有利于电极材料倍率性能 的提升。
磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的性质表征
磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的结构表征通过N2吸附(MicromeriticsTriStar II 3020)测试。X射线光电子能谱(XPS)由美国Thermo Scientific ESCALAB250Xi型X射线光电子能谱分析仪，对试样进行元素及其含量的分 析。比表面积根据Brunauer-Emmett-Teller(BET)理论计算，孔径分布(PSD) 采用吸附等温线的吸附支并采用Barrett-Joyner-Halenda(BJH)模型计算。
磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料为原料制备超级电容器电极的测试方法
本实例的三电极体系和两电极体系的电容性能采用CHI660D电化学工作 站进行测试。三电极体系里，对电极为铂丝电极，Hg/HgO为参比电极，6M KOH 溶液为电解液。单个电极的循环伏安测试电压范围设定为-1～0V。充放电测试 的电流密度设置在0.5～20Ag-1，且电压范围为-1～0V。两电极体系里，以纤维 素为隔膜将质量相当的两个电极片分隔，6MKOH溶液为电解液。
三电极体系的比电容通过恒电流充放电，并根据以下公式计算：
Cg＝I/(mdV/dt)
其中I为恒定电流，m为活性物质的质量，dV/dt为根据除去电压降部分的 放电曲线计算所得的斜率。
两电极体系的比电容、能量密度(Eg)以及功率密度(Pg)的计算公式为：
Cg＝4I/(mdV/dt)
Eg＝1/28.8(CgdV2)
Pg＝3600Eg/t
式中：Cg为两电极装置下的两块电极的质量比电容(F g-1)，m为总活性物 质质量(g)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)水热反应：将氮源溶解在去离子水中，加入氧化石墨烯溶液并超声预定时间，加入磷源继续超声预定时间得到混合溶液，所得混合溶液中氧化石墨烯浓度为1～2mg mL-1，将上述混合溶液转移至高压反应釜进行水热反应，得到水凝胶；其中，所述氮源为芳香族多胺中的一种或多种，所述磷源为磷酸或磷酸盐；
(2)氧化聚合：将步骤(1)中的水凝胶冷却后加入氯化铁溶液，密封并在预定温度下静置预定时间得到复合水凝胶；
(3)碳化活化：将步骤(2)中的复合水凝胶直接冷冻干燥，置于反应器中，在氮气保护下以2～5℃min-1的升温速率升至700～900℃保持预定时间，待自然冷却后取出产物，然后将所得样品用盐酸溶液浸泡后用去离子水洗涤，去除残余杂质或金属离子，再将洗涤后的产品在预定温度下干燥，最后研磨、过筛得到磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备工艺，其特征在于，所述芳香族多胺为邻苯二胺、间苯二胺或对苯二胺。
3.根据权利要求2所述的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备工艺，其特征在于，所述氮源为邻苯二胺，所述磷源为磷酸。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤(1)中的水热反应温度为90～120℃，反应时间为4～8h。
5.根据权利要求1～3任意一项所述的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤(1)中氮源与氧化石墨烯的质量比为1:8～12。
6.根据权利要求5所述的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备工艺，其特征在于，所述氮源与磷源的摩尔比为1:2～4。
7.根据权利要求6所述的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备工艺，其特征在于，所述氮源与氯化铁的摩尔比为1:3～5。
8.根据权利要求7所述的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤(3)的反应时间为2h。
9.根据权利要求7所述的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备工艺，其特征在于，所述氮气气体的流速为80～150mL min-1。
10.根据权利要求7所述的磷氮掺杂石墨烯多孔碳复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤(2)中冷冻干燥条件为-75℃、小于2mbar的环境。
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