CN109781820A - 一种石墨烯复合材料修饰电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯复合材料修饰电极及其制备方法。所述石墨烯复合材料为氧化铁‑石墨烯‑3‑(2‑氨基乙基)吡啶复合材料或氧化铁‑石墨烯‑4‑(2‑氨基乙基)吡啶复合材料。本发明制备的石墨烯复合材料修饰电极，以氧化石墨和氯化铁作为原料，3‑(2‑氨基乙基)吡啶或4‑(2‑氨基乙基)吡啶作为掺杂剂，制备成Fe‑N‑C材料，具有良好的电催化活性，优异的稳定性。

Description

一种石墨烯复合材料修饰电极及其制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯复合材料制备与应用技术领域，具体涉及一种石墨烯复合材料修饰电极及其制备方法。
背景技术
电极材料作为电容器和电池的核心部件，仍然是目前研究的重点。石墨烯与赝电容的氧化铁复合可提高材料的导电性，减少纳米氧化铁的团聚等，进而通过石墨烯与赝电容材料的优势互补，实现材料的的协同增效，从而得到高导电性，高循环稳定性，高效、快速和稳定的能量储存的电极材料。
材料的比表面积和孔结构、电导率、表面性质是影响超级电容器的关键因素，而这些结构特征往往又依赖于材料的制备方法，因此，根据材料的超电性能及电催化性能需求，通过简单可控的制备方法优化材料的比表面积和孔结构，电导率及表面组成和性质，获得电化学性能优异的电极材料一直以来都是电化学电极材料的研究重点。对碳材料引入杂原子是改变其物理和化学性质的有效方法，其中氮的掺杂研究较普遍。可以通过各种途径实现氮掺杂碳材料的制备，例如额外添加氨，胺或尿素等氮源的后处理方法制备氮掺杂碳材料，以及使用乙腈，吡咯，聚乙腈或聚苯胺等含氮物质作为起始原料的更直接的原位方法制备氮掺杂碳材料。各种掺杂材料对于材料的性能改进有优有劣，性能各不相同，目前，尚未有研究将3-(2-氨基乙基)吡啶或4-(2-氨基乙基)吡啶作为掺杂材料对于石墨烯复合材料性能改进的影响的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯复合材料修饰电极及其制备方法。
一种石墨烯复合材料修饰电极，所述石墨烯复合材料为氧化铁-石墨烯-3-(2-氨基乙基)吡啶复合材料或氧化铁-石墨烯-4-(2-氨基乙基)吡啶复合材料。
上述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，按照如下步骤进行：
(1)将氧化石墨烯溶解于去离子水中，超声分散均匀，形成悬浮液；
(2)将氯化铁与3-(2-氨基乙基)吡啶或4-(2-氨基乙基)吡啶混合，溶解于去离子水中，搅拌均匀；
(3)将步骤(2)制备的混合液慢慢加入到步骤(1)制备的悬浮液中，搅拌均匀，制成混合液；
(4)将步骤(3)制备的混合液置于反应釜中，在170-180℃条件下反应8-11小时，反应结束后，自然冷却至室温，获得水凝胶状物质；
(5)将水凝胶状物质在去离子水中浸泡6-10天，将水凝胶切片制备成电极。
所述氧化石墨烯的制备方法为：取石墨原料5-15g、硝酸钾15-25g，加入碱溶液100ml并置于密闭容器内，用氧气置换容器内气体并充入氧气至压力为10-15MPa，在温度300-500℃进行反应，反应结束后取出反应产物固液分离，所得固相洗涤并干燥，即得氧化石墨烯固体产物。
所述碱溶液为氢氧化钾或氢氧化钠。
步骤(1)所述氧化石墨烯与去离子水的用量质量比为(2-5)：1000。
步骤(2)所述氯化铁与3-(2-氨基乙基)吡啶或4-(2-氨基乙基)吡啶用量质量比为1：(0.5-2)。
步骤(5)所述浸泡过程中，每天换去离水2次。
上述石墨烯复合材料修饰电极在制备超级电容器中的应用。
上述石墨烯复合材料修饰电极在制备电池中的应用。
本发明的有益效果：本发明制备的石墨烯复合材料修饰电极，以氧化石墨和氯化铁作为原料，3-(2-氨基乙基)吡啶或4-(2-氨基乙基)吡啶作为掺杂剂，制备成Fe-N-C材料，具有良好的电催化活性，优异的稳定性。由其组装得到的电池功率密度大。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1氧化石墨烯的制备
氧化石墨烯的制备方法为：取石墨原料8g、硝酸钾20g，加入氢氧化钾水溶液(质量浓度30％)100ml并置于密闭容器内，用氧气置换容器内气体并充入氧气至压力为12MPa，在温度400℃进行反应，反应结束后取出反应产物固液分离，所得固相洗涤并干燥，即得氧化石墨烯固体产物。
实施例2
一种石墨烯复合材料修饰电极，所述石墨烯复合材料为氧化铁-石墨烯-3-(2-氨基乙基)吡啶复合材料。
上述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，按照如下步骤进行：
(1)将35mg氧化石墨烯溶解于10mL去离子水中，超声分散均匀，形成悬浮液；
(2)将氯化铁90mg与3-(2-氨基乙基)吡啶80mg混合，溶解于6mL去离子水中，搅拌均匀；
(3)将步骤(2)制备的混合液慢慢加入到步骤(1)制备的悬浮液中，搅拌均匀，制成混合液；
(4)将步骤(3)制备的混合液置于反应釜中，在175℃条件下反应9小时，反应结束后，自然冷却至室温，获得水凝胶状物质；
(5)将水凝胶状物质在去离子水中浸泡8天，每天换去离水2次，将水凝胶切片制备成电极。
实施例3
一种石墨烯复合材料修饰电极，所述石墨烯复合材料为氧化铁-石墨烯-4-(2-氨基乙基)吡啶复合材料。
上述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，按照如下步骤进行：
(1)将35mg氧化石墨烯溶解于10mL去离子水中，超声分散均匀，形成悬浮液；
(2)将氯化铁90mg与4-(2-氨基乙基)吡啶80mg混合，溶解于6mL去离子水中，搅拌均匀；
(3)将步骤(2)制备的混合液慢慢加入到步骤(1)制备的悬浮液中，搅拌均匀，制成混合液；
(4)将步骤(3)制备的混合液置于反应釜中，在175℃条件下反应9小时，反应结束后，自然冷却至室温，获得水凝胶状物质；
(5)将水凝胶状物质在去离子水中浸泡8天，每天换去离水2次，将水凝胶切片制备成电极。
实施例4
一种石墨烯复合材料修饰电极，所述石墨烯复合材料为氧化铁-石墨烯-3-苄基吡啶复合材料。
上述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，按照如下步骤进行：
(1)将35mg氧化石墨烯溶解于10mL去离子水中，超声分散均匀，形成悬浮液；
(2)将氯化铁90mg与3-苄基吡啶80mg混合，溶解于6mL去离子水中，搅拌均匀；
(3)将步骤(2)制备的混合液慢慢加入到步骤(1)制备的悬浮液中，搅拌均匀，制成混合液；
(4)将步骤(3)制备的混合液置于反应釜中，在175℃条件下反应9小时，反应结束后，自然冷却至室温，获得水凝胶状物质；
(5)将水凝胶状物质在去离子水中浸泡8天，每天换去离水2次，将水凝胶切片制备成电极。
实施例5电池组装及性能检测
将实施例2-4制备的电极材料及市售氮掺杂的石墨烯电极材料(深圳市图灵进化科技有限公司)，隔膜(Celgard2400)，电解液等按照电池制备工艺组装成超级电容器，电解液为0.5mol/L的硫酸溶液，组装完成后进行恒流充放电试验，电压范围0-2.0V，电流为1A/g进行恒流电充放电，每个试验重复3次取平均值，检测结果见表1：
表1
注：*代表P<0.05。
由表1可以看出，实施例2和实施例3实验组的组装电池功率密度大于市售氮掺杂的石墨烯电极材料，实施例4的组装电池功率密度小于市售氮掺杂的石墨烯电极材料。

Claims (9)

1.一种石墨烯复合材料修饰电极，其特征在于，所述石墨烯复合材料为氧化铁-石墨烯-3-(2-氨基乙基)吡啶复合材料或氧化铁-石墨烯-4-(2-氨基乙基)吡啶复合材料。
2.权利要求1所述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
(1)将氧化石墨烯溶解于去离子水中，超声分散均匀，形成悬浮液；
(2)将氯化铁与3-(2-氨基乙基)吡啶或4-(2-氨基乙基)吡啶混合，溶解于去离子水中，搅拌均匀；
(3)将步骤(2)制备的混合液慢慢加入到步骤(1)制备的悬浮液中，搅拌均匀，制成混合液；
(4)将步骤(3)制备的混合液置于反应釜中，在170-180℃条件下反应8-11小时，反应结束后，自然冷却至室温，获得水凝胶状物质；
(5)将水凝胶状物质在去离子水中浸泡6-10天，将水凝胶切片制备成电极。
3.根据权利要求2所述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯的制备方法为：取石墨原料5-15g、硝酸钾15-25g，加入碱溶液100ml并置于密闭容器内，用氧气置换容器内气体并充入氧气至压力为10-15MPa，在温度300-500℃进行反应，反应结束后取出反应产物固液分离，所得固相洗涤并干燥，即得氧化石墨烯固体产物。
4.根据权利要求3所述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，所述碱溶液为氢氧化钾或氢氧化钠。
5.根据权利要求2所述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述氧化石墨烯与去离子水的用量质量比为(2-5)：1000。
6.根据权利要求2所述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述氯化铁与3-(2-氨基乙基)吡啶或4-(2-氨基乙基)吡啶用量质量比为1：(0.5-2)。
7.根据权利要求2所述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述浸泡过程中，每天换去离水2次。
8.权利要求1所述石墨烯复合材料修饰电极在制备超级电容器中的应用。
9.权利要求1所述石墨烯复合材料修饰电极在制备电池中的应用。
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