專利名稱:摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及復(fù)合電極領(lǐng)域,尤其涉及一種摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極及其制備方法。
背景技術(shù):
自從英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈.K.海姆(Andre K.Geim)等在2004年制備出石墨烯材料,由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)受到了人們廣泛的重視。單層石墨由于其大的比表面積,優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和低的熱膨脹系數(shù)而被認(rèn)為是理想的材料。如:①高強(qiáng)度,楊氏摩爾量,(1,IOOGPa),斷裂強(qiáng)度:(125GPa);②高熱導(dǎo)率,(5, 000ff/mK);③高導(dǎo)電性、載流子傳輸率,(200,OOOcmVV.s);④高的比表面積,(理論計(jì)算值:2,630m2/g)。尤其是其高導(dǎo)電性質(zhì),大的比表面性質(zhì)和其單分子層二維的納米尺度的結(jié)構(gòu)性質(zhì),可在超級電容器和鋰離子電池中用作電極材料。到目前為止,制備石墨烯的方法有許多種,其中氧化-還原法是一種能夠大量制備石墨烯且產(chǎn)率較高的一種方法,整個(gè)過程涉及到將石墨氧化成氧化石墨,氧化石墨剝落產(chǎn)生的氧化石墨烯,再通過化學(xué)或熱還原為石墨烯,其中水熱法還原氧化石墨,在聞壓環(huán)境下對石墨稀的缺陷有所修補(bǔ)。然而,當(dāng)氧化石墨被還原成石墨烯時(shí),一般含氧量還在10%左右;這樣,石墨烯作為電極材料來說,因?yàn)檠鹾康拇嬖跁?huì)導(dǎo)致其電導(dǎo)率降低,另外氧以官能團(tuán)的形式存在在電極上,在實(shí)際充電的過程中,含氧官能團(tuán)會(huì)分解,導(dǎo)致電極材料不穩(wěn)定,使得其電導(dǎo)率和電化學(xué)穩(wěn)定性方面有一定的限制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題之一在于提供一種電導(dǎo)率高、電化學(xué)穩(wěn)定性好的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極。一種摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極,包括金屬電極以及富集在所述金屬電極表面的摻氮石墨烯,且氮原子與石墨烯中的碳原子以共價(jià)鍵合形式存在;其中,所述金屬電極為鎳箔、銅箔或鋁箔電極。本發(fā)明所要解決的另一問題在于提供上述摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,其包括如下步驟:S1、將氧化石墨加入醇溶劑中,超聲攪拌0.5 2h,得到分散均勻的氧化石墨烯醇溶液;S2、向步驟SI中加入金屬鹽溶液,超聲攪拌15 60分鐘,得到混合均勻的混合溶液;其中,所述金屬鹽為 Mg (NO3) 2.6H20、Mg (SO4) 2.7H20、Fe (NO3) 3.9H20 或 Zn (NO3) 2.6H20 ;S3、在步驟S3中的混合溶液中間隙插入兩根金屬電極,并在兩根金屬電極上接入40 80V的直流電壓,通電時(shí)間為5 20分鐘,隨后停止通電,在所述金屬電極的負(fù)極上表面富集氧化石墨烯,并從混合溶液中拔出表面富集氧化石墨烯的金屬電極,并經(jīng)干燥處理后,得到氧化石墨烯/金屬復(fù)合電極;其中,所述金屬電極為鎳箔、銅箔或鋁箔電極;
S4、將步驟S3獲得的氧化石墨烯/金屬復(fù)合電極置入一盛有體積比為2: I的氨水和水的混溶液的容器中,接著將容器置入80 150°C反應(yīng)2 4h,制得所述摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極。上述摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,步驟SI中,所述氧化石墨是采用如下工藝制得:將石墨粉、高錳酸鉀按照質(zhì)量比1: 3的比例,依次加入0°C濃硫酸中,攪拌混合2h,然后在室溫水浴攪拌24h后;接著,在冰浴條件下,緩慢加入去離子水,接著加入濃度為30界七%的雙氧水,之后混合物顏色變?yōu)榱咙S色后,抽濾,再用濃度為IOwt %的鹽酸進(jìn)行洗滌、抽濾,然后對濾物進(jìn)行真空干燥處理,即得到氧化石墨。上述摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法中,優(yōu)選,步驟SI中,所述純?nèi)軇橐掖?、異丙醇及丙醇中的至少一種;優(yōu)選,步驟S2中,Mg(NO3)2.6H20溶液的濃度為0.2 0.5mg/ml ;優(yōu)選,步驟S3中,金屬電極選用直徑為5 IOcm的圓形鎳箔電極優(yōu)選,步驟S3中,對表面富集氧化石墨烯的金屬電極的干燥處理包括:首先將表面富集氧化石墨烯的金屬電極置于大氣中自然晾干,然后真空烘烤I 3h。優(yōu)選,步驟S4中,所述容器為水熱反應(yīng)釜;兩根金屬電極的間隔距離為0.5 Icm0本發(fā)明的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極,生成氮摻雜的石墨烯,可以降低所制備的石墨烯中氧的含量,提高了其穩(wěn)定性;同時(shí)在電導(dǎo)性能方面也得到了增強(qiáng)。本發(fā)明的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,使用氨水對氧化石墨烯進(jìn)行水熱還原,避免使用有毒性的水合肼對石墨烯還原,并且將還原和摻氮一步完成;同時(shí),本制備方法還具有如下優(yōu)點(diǎn):①N摻雜的石墨烯,不僅可提高還原之后的石墨烯的穩(wěn)定性,在電導(dǎo)性能方面也得到了增強(qiáng);②用水熱法還原氧化石墨烯,在高壓環(huán)境下對石墨烯的缺陷有所修補(bǔ);③通過電沉積的方法,電極材料直接沉積在電極片上,可以省去復(fù)雜的涂布工藝,工藝簡單且時(shí)間短;④電極材料直接沉積在電極片上,可以降低電極的等效串聯(lián)電阻(ESR),從而更有效的提高超級電容器的功率密度。
圖1為本發(fā)明摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的SEM圖;圖2為本發(fā)明摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示,本實(shí)施方式的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極,包括金屬電極以及富集在所述金屬電極表面的摻氮石墨烯,且氮原子與石墨烯中的碳原子以共價(jià)鍵合形式存在;其中,所述金屬電極為鎳箔、銅箔或鋁箔電極。上述摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,如圖2所示,其工藝流程如下:
S1、制備氧化石墨:將石墨粉(目數(shù)為100 500目)加入0°C的濃硫酸(其中,硫酸的加入量為:每23ml的硫酸中加入Img的石墨粉)中,再加入聞猛酸鐘(石墨粉與聞錳酸鉀的質(zhì)量比為1: 3),充分混合,攪拌2h,溫度保持在10°C以下;然后在室溫水浴攪拌24h后,在冰浴條件下緩慢加入去離子水(加入量約為硫酸體積的17倍);15分鐘后,再加入2.5mL、濃度為30Wt%的雙氧水,之后混合物顏色變?yōu)榱咙S色,抽濾硫酸混合物,再用濃度為10%的鹽酸進(jìn)行洗滌、抽濾;濾物在60°C真空干燥48h,即得到氧化石墨;S2、制備氧化石墨烯:將氧化石墨加入醇類溶劑中(如,乙醇、異丙醇、丙醇),超聲攪拌0.5 2h,得到均勻分散的氧化石墨烯溶液;S3、制備氧化石墨烯/金屬復(fù)合電極:向步驟S2的氧化石墨烯溶液中加入金屬鹽溶液(其濃度為0.2 0.5mg/ml,所述金屬鹽為Mg(NO3)2.6H20、Mg(SO4)2.7H20、Fe (NO3) 3.9H20或Zn (NO3) 2.6H20),超聲攪拌15 60分鐘,得到混合溶液;以混合溶液作為電解液,以直徑為5 IOcm的金屬(如,鎳箔、銅箔或鋁箔)作為電極,將兩根金屬電極平行對稱放置入電解液中,且兩極金屬電極的間距為0.5 1cm,并在兩根金屬電極的兩端加入40 80V的直流電壓,電泳5 20分鐘;隨后停止通電,在所述金屬電極的負(fù)極上表面富集氧化石墨烯,并從混合溶液中拔出表面富集氧化石墨烯的金屬電極,并經(jīng)自然晾干、60 80°C真空烘烤1-3小時(shí)等干燥處理后,得到氧化石墨烯/金屬復(fù)合電極;S4、制備摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極:將步驟S3制得的氧化石墨烯/金屬復(fù)合電極放到水熱反應(yīng)釜中,加入氨水和水的混合物(水與氨水的體積比為2: I),接著將水熱反應(yīng)釜置入80 150°C反應(yīng)2 4h,自然冷卻至室溫后取出,水洗干燥,制得摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極。本發(fā)明的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極,氮摻雜的石墨烯,降低石墨烯中氧的含量,在氮原子上引入屬于η型摻雜,提高了石墨烯載流子的濃度,進(jìn)而提高電極的電導(dǎo)率,同時(shí),還可提高電極的穩(wěn)定性,且在電導(dǎo)性能方面也得到了增強(qiáng),如表I所示;從元素分析的數(shù)據(jù)中,可以看出,氧 含量有很大的降低。表I
PcΓ Γ ~ο
GO48.592 2847.08
石墨烯87.45173311.22
氮摻雜石墨烯 88.43 Γ235 215ΤΤ3本發(fā)明的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,使用氨水對氧化石墨烯進(jìn)行水熱還原,避免使用有毒性的水合肼對石墨烯還原,并且將還原和摻氮一步完成;同時(shí),本制備方法還具有如下優(yōu)點(diǎn):①N摻雜的石墨烯,不僅可提高還原之后的石墨烯的穩(wěn)定性,在電導(dǎo)性能方面也得到了增強(qiáng);②用水熱法還原氧化石墨烯,在高壓環(huán)境下對石墨烯的缺陷有所修補(bǔ);③通過電沉積的方法,電極材料直接沉積在電極片上,可以省去復(fù)雜的涂布工藝,工藝簡單且時(shí)間短;④電極材料直接沉積在電極片上,可以降低電極的等效串聯(lián)電阻(ESR),從而更有效的提高超級電容器的功率密度。下面結(jié)合附圖,對本發(fā)明的較佳實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例1本實(shí)施例的摻氮石墨烯/鎳復(fù)合電極制備工藝流程如下:(I)、制備氧化石墨:將0.5g、500目石墨粉加入0°C、11.5mL的濃硫酸中,再加入1.5g聞猛酸鐘,混合物的溫度保持在10 C以下,攬祥2h,然后在室溫水浴攬祥24h后,在冰浴條件下緩慢加入46mL去離子水;15分鐘后,再加入140mL去離子水(其中,含有2.5mL濃度為30%的雙氧水),之后混合物顏色變?yōu)榱咙S色,抽濾,再用250ml濃度為10%的鹽酸進(jìn)行洗滌、抽濾、在60°C真空干燥48h,即得到氧化石墨;(2)、制備氧化石墨烯:將氧化石墨烯加入乙醇中,超聲0.5h,得到均勻分散的氧化石墨烯溶液;(3)、制備氧化石墨烯/鎳復(fù)合電極:向⑵所得的氧化石墨烯溶液中加入Mg(NO3)2.6H20(濃度為0.2mg/ml),超聲15分鐘,以得到均勻的混合溶液,并以此混合溶液作為電解液,以5cm直徑的鎳箔作為電極,將兩根鎳箔電極平行對稱放置入電解液中,在兩根鎳箔電極的兩端加入40V的直流電,兩極間距為0.5cm,電泳5分鐘,隨后停止通電,在所述鎳箔電極的負(fù)極上表面富集氧化石墨烯,并從混合溶液中拔出表面富集氧化石墨烯的鎳箔電極,并經(jīng)自然晾干、80°C真空烘烤I小時(shí)等干燥處理后,就可得到氧化石墨烯/鎳復(fù)合電極;(4)、制備摻氮石墨烯/鎳復(fù)合電極:將(3)所得的氧化石墨烯/鎳復(fù)合電極放到IOOml的水熱反應(yīng)爸中,加入20ml氨水和40ml去離子水,在80°C反應(yīng)4h,自然冷卻至室溫后取出、水洗干燥,就可得到摻氮石墨烯/鎳復(fù)合電極。實(shí)施例2本實(shí)施例的摻氮石墨烯/銅復(fù)合電極制備工藝流程如下:(I)、制備氧化石墨:將lg、100目石墨粉加入0°C、23mL的濃硫酸中,再加入3g高錳酸鉀,混合物的溫度保持在10°c以下,攪拌2h,然后在室溫水浴攪拌24h后,在冰浴條件下緩慢加入92mL去離子水;15分鐘后,再加入300mL去離子水(其中,含有2.5mL濃度為30%的雙氧水),之后混合物顏色變?yōu)榱咙S色,抽濾,再用250ml濃度為10%的鹽酸進(jìn)行洗滌、抽濾、在60°C真空干燥48h,即得到氧化石墨;(2)、制備氧化石墨烯:將氧化石墨烯加入異丙醇中,超聲2h,得到均勻分散的氧化石墨烯溶液;(3)、制備氧化石墨烯/銅復(fù)合電極:向⑵所得的氧化石墨烯溶液中加入Mg(SO4)2.7H20(濃度為0.5mg/ml),超聲45分鐘,以得到均勻的混合溶液,并以此混合溶液作為電解液,以IOcm直徑的鎳箔作為電極,將兩根銅箔電極平行對稱放置入電解液中,在兩根銅箔電極的兩端加入80V的直流電,兩極間距為0.6cm,電泳20分鐘,隨后停止通電,在所述銅箔電極的負(fù)極上表面富集氧化石墨烯,并從混合溶液中拔出表面富集氧化石墨烯的銅箔電極,并經(jīng)自然晾干、60°C真空烘烤3小時(shí)等干燥處理后,就可得到氧化石墨烯/銅復(fù)合電極;
(4)、制備摻氮石墨烯/銅復(fù)合電極:將(3)所得的氧化石墨烯/銅復(fù)合電極放到IOOml的水熱反應(yīng)爸中,加入20ml氨水和40ml去離子水,在150°C反應(yīng)2h,自然冷卻至室溫后取出、水洗干燥,就可得到摻氮石墨烯/銅復(fù)合電極。實(shí)施例3本實(shí)施例的摻氮石墨烯/鋁復(fù)合電極制備工藝流程如下:(I)、制備氧化石墨:將0.5g、200目石墨粉加入0°C、11.5mL的濃硫酸中,再加入1.5g聞猛酸鐘,混合物的溫度保持在10 C以下,攬祥2h,然后在室溫水浴攬祥24h后,在冰浴條件下緩慢加入46mL去離子水;15分鐘后,再加入140mL去離子水(其中,含有2.5mL濃度為30%的雙氧水),之后混合物顏色變?yōu)榱咙S色,抽濾,再用250ml濃度為10%的鹽酸進(jìn)行洗滌、抽濾、在60°C真空干燥48h,即得到氧化石墨;(2)、制備氧化石墨烯:將氧化石墨烯加入丙醇中,超聲lh,得到均勻分散的氧化石墨烯溶液;(3)、制備氧化石墨烯/鋁復(fù)合電極:向⑵所得的氧化石墨烯溶液中加入Fe (NO3) 3.9H20、(濃度為0.3mg/ml),超聲60分鐘,以得到均勻的混合溶液,并以此混合溶液作為電解液,以5cm直徑的鋁箔作為電極,將兩根鋁箔電極平行對稱放置入電解液中,在兩根鋁箔電極的兩端加入60V的直流電,兩極間距為0.8cm,電泳15分鐘,隨后停止通電,在所述鋁箔電極的負(fù)極上表面富集氧化石墨烯,并從混合溶液中拔出表面富集氧化石墨烯的鋁箔電極,并經(jīng)自然晾干、70°C真空烘烤2小時(shí)等干燥處理后,就可得到氧化石墨烯/鋁復(fù)合電極;(4)、制備摻氮石墨烯/鋁復(fù)合電極:將(3)所得的氧化石墨烯/鋁復(fù)合電極放到IOOml的水熱反應(yīng)爸中,加入20ml氨水和40ml去離子水,在120°C反應(yīng)3h,自然冷卻至室溫后取出、水洗干燥,就可得到摻氮石墨烯/鋁復(fù)合電極。實(shí)施例4本實(shí)施例的摻氮石墨烯/鎳復(fù)合電極制備工藝流程如下:(I)、制備氧化石墨:將0.5g、350目石墨粉加入0°C、11.5mL的濃硫酸中,再加入
1.5g聞猛酸鐘,混合物的溫度保持在10 C以下,攬祥2h,然后在室溫水浴攬祥24h后,在冰浴條件下緩慢加入46mL去離子水;15分鐘后,再加入140mL去離子水(其中,含有2.5mL濃度為30%的雙氧水),之后混合物顏色變?yōu)榱咙S色,抽濾,再用250ml濃度為10%的鹽酸進(jìn)行洗滌、抽濾、在60°C真空干燥48h,即得到氧化石墨;(2)、制備氧化石墨烯:將氧化石墨烯加入乙醇中,超聲1.5h,得到均勻分散的氧化石墨烯溶液;(3)、制備氧化石墨烯/鎳復(fù)合電極:向⑵所得的氧化石墨烯溶液中加入Zn(NO3)2.6H20(濃度為0.4mg/ml),超聲30分鐘,以得到均勻的混合溶液,并以此混合溶液作為電解液,以5cm直徑的鎳箔作為電極,將兩根鎳箔電極平行對稱放置入電解液中,在兩根鎳箔電極的兩端加入70V的直流電,兩極間距為lcm,電泳10分鐘,隨后停止通電,在所述鎳箔電極的負(fù)極上表面富集氧化石墨烯,并從混合溶液中拔出表面富集氧化石墨烯的鎳箔電極,并經(jīng)自然晾干、70°C真空烘烤1.5小時(shí)等干燥處理后,就可得到氧化石墨烯/鎳復(fù)合電極;(4)、制備摻氮石墨烯/鎳復(fù)合電極:將⑶所得的氧化石墨烯/鎳復(fù)合電極放到IOOml的水熱反應(yīng)釜中,加入20ml氨水和40ml去離子水,在100°C反應(yīng)2.5h,自然冷卻至室
溫后取出、水洗干燥,就可得到摻氮石墨烯/鎳復(fù)合電極。應(yīng)當(dāng)理解的是,上述針對本發(fā)明較佳實(shí)施例的表述較為詳細(xì),并不能因此而認(rèn)為是對本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制,本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,其特征在于,包括如下步驟: 51、將氧化石墨加入醇溶劑中,超聲攪拌0.5 2h,得到分散均勻的氧化石墨烯醇溶液; 52、向步驟SI中加入金屬鹽溶液,超聲攪拌15 60分鐘,得到混合均勻的混合溶液;其中,所述金屬鹽為 Mg (NO3) 2.6H20、Mg (SO4) 2.7H20、Fe (NO3) 3.9H20 或 Zn (NO3) 2.6H20 ; 53、在步驟S3中的混合溶液中間隙插入兩根金屬電極,并在兩根金屬電極上接入40 80V的直流電壓,通電時(shí)間為5 20分鐘,隨后停止通電,在所述金屬電極的負(fù)極上表面富集氧化石墨烯,并從混合溶液中拔出表面富集氧化石墨烯的金屬電極,并經(jīng)干燥處理后,得到氧化石墨烯/金屬復(fù)合電極;其中,所述金屬電極為鎳箔、銅箔或鋁箔電極; 54、將步驟S3獲得的氧化石墨烯/金屬復(fù)合電極置入一盛有體積比為2: I的氨水和水的混溶液的容器中,接著將容器置入80 150°C反應(yīng)2 4h,制得所述摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,其特征在于,步驟SI中,所述氧化石墨是采用如下工藝制得: 將石墨粉、高錳酸鉀按照質(zhì)量比1: 3的比例,依次加入0°C濃硫酸中,攪拌混合2h,然后在室溫水浴攪拌24h后;接著,在冰浴條件下,緩慢加入去離子水,接著加入濃度為30wt%的雙氧水,之后混合物顏色變?yōu)榱咙S色后,抽濾,再用濃度為IOwt %的鹽酸進(jìn)行洗滌、抽濾,然后對濾物進(jìn)行真空干燥處理,即得到氧化石墨。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,其特征在于,步驟Sll中,所述石墨粉選自目數(shù)為100 500目的石墨粉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,其特征在于,步驟SI中,所述純?nèi)軇橐掖?、異丙醇及丙醇中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,其特征在于,步驟S2中,所述金屬鹽溶液的濃度為0.2 0.5mg/ml。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,其特征在于,步驟S3中,金屬電極選用直徑為5 IOcm的圓形鎳箔電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,其特征在于,步驟S3中,對表面富集氧化石墨烯的鎳箔電極的干燥處理包括:首先將表面富集氧化石墨烯的鎳箔電極置于大氣中自然晾干,然后真空烘烤I 3h。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,其特征在于,步驟S4中,所述容器為水熱反應(yīng)釜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極的制備方法,其特征在于,步驟S4中,兩根金屬電極的間隔距離為0.5 1cm。
10.一種如權(quán)利要求1所述的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極,其特征在于,包括金屬電極以及富集在所述金屬電極表面的摻氮石墨烯,且氮原子與石墨烯中的碳原子以共價(jià)鍵合形式存在。
全文摘要
本發(fā)明屬于復(fù)合電極領(lǐng)域,其公開了一種摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極及其制備方法;該,摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極,包括鎳箔電極、以及富集在所述鎳箔電極表面的摻氮石墨烯,且氮原子與石墨烯中的碳原子以共價(jià)鍵合形式存在。本發(fā)明的摻氮石墨烯/金屬復(fù)合電極,生成氮摻雜的石墨烯,可以降低所制備的石墨烯中氧的含量,可提高其穩(wěn)定性,同時(shí)在電導(dǎo)性能方面也得到了增強(qiáng)。
文檔編號H01G9/00GK103165866SQ201110418379
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者周明杰, 吳鳳, 王要兵 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術(shù)有限公司