一種氮摻雜石墨烯/四氧化三鈷納米復(fù)合材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料和電化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種氮摻雜石墨烯/四氧化三鈷納米復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯作為一種由碳原子以Sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維材料，相對(duì)于其他碳材料，如零維富勒烯、一維碳納米管，具有更高的電導(dǎo)率及比表面積。其獨(dú)特的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)，引起了研究者們的極大興趣。石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用得到了廣泛的研究。值得注意的，化學(xué)氧化制備的石墨烯存在很多缺陷大大降低了其電導(dǎo)率，同時(shí)其表現(xiàn)出的雙電層電容，無(wú)法滿足人們對(duì)超級(jí)電容器的應(yīng)用要求。
[0003]引入雜原子進(jìn)行摻雜有利于提升石墨烯的性能，另外一方面通過(guò)與贗電容材料，比如過(guò)渡金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物，復(fù)合提高材料的比電容。因此本發(fā)明在對(duì)石墨烯進(jìn)行摻雜的同時(shí)負(fù)載贗電容材料，制備出高性能的復(fù)合材料以滿足人們對(duì)超電電容器的要求就顯得極為迫切。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種氮摻雜石墨烯/四氧化三鈷納米復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，通過(guò)引入雜原子氮，對(duì)石墨烯進(jìn)行摻雜，提高電導(dǎo)率，同時(shí)負(fù)載贗電容材料四氧化三鈷以得到更大的比電容。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
(I)制備氧化石墨烯水溶液
采用改進(jìn)的Hummers法，首先將天然鱗片石墨緩慢加入硫酸/磷酸混酸(H2SO4:H3PO4=Q:1, v/v)溶液中，隨后將高錳酸鉀加入其中，混合均勻后，將體系溫度升至50 V,反應(yīng)12 ho將產(chǎn)物分別用鹽酸、去離子水離心洗滌，直至pH到中性，冷凍干燥后將其分散在去離子水中，得到氧化石墨烯水溶液，其濃度控制4mg/mL。
[0006](2)將上述制備好的石墨烯水溶液(60mL)與適量氨水在80°C回流攪拌一定時(shí)間，實(shí)現(xiàn)預(yù)慘雜；
(3)稱(chēng)量一定量的醋酸鈷，預(yù)先溶解于40mL去離子水中，然后加入到上述混合體系中，進(jìn)行水熱反應(yīng)。醋酸鈷的濃度控制在0.01~lmg/mL,反應(yīng)溫度控制在120~180 °C，反應(yīng)時(shí)間控制在4~16小時(shí)。
[0007](4)所得產(chǎn)物用去離子水洗滌，60°C真空干燥即可得到氮摻雜石墨烯/四氧化三鈷納米復(fù)合材料。
[0008]所述的氣慘雜石墨稀/四氧化二鉆復(fù)合材料由80nm左右的四氧化二鉆顆粒均勾負(fù)載在石墨烯表面構(gòu)成，具有優(yōu)異的性能，可用于超級(jí)電容器電極材料。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:引入氨水作為氮源，通過(guò)在80°C進(jìn)行預(yù)摻雜，大大提高了氮原子的摻雜量，然后通過(guò)水熱法同時(shí)負(fù)載高電容的贗電容電極材料四氧化三鈷納米顆粒，大大提高復(fù)合材料的性能，可用于超電電容器電極材料，最終復(fù)合材料的比電容可達(dá)到355.9 F/g (0.2A/g)0
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明實(shí)施例3制備的氮摻雜石墨烯/四氧化三鈷復(fù)合材料的SEM圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例3制備的氮摻雜石墨烯/四氧化三鈷復(fù)合材料的恒電流充放電曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0011]本發(fā)明用下列實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于下列實(shí)施例。
[0012]—種氮摻雜石墨烯/四氧化三鈷的納米復(fù)合材料及其制備方法，其詳細(xì)過(guò)程為:
(I)制備氧化石墨烯水溶液
采用改進(jìn)的Hummers法，首先將天然鱗片石墨緩慢加入硫酸/磷酸混酸(H2SO4:H3PO4=Q:1, v/v)溶液中，隨后將高錳酸鉀加入其中，混合均勻后，將體系溫度升至50 V,反應(yīng)12 h，將產(chǎn)物分別用鹽酸、去離子水離心洗滌，直至pH到中性，冷凍干燥后將其分散在去離子水中，得到氧化石墨烯水溶液，其濃度控制4mg/mL。
[0013](2)將上述制備好的石墨烯水溶液(60mL)與適量氨水在80°C回流攪拌一定時(shí)間，實(shí)現(xiàn)預(yù)慘雜；
(3)稱(chēng)量一定量的醋酸鈷，預(yù)先溶解于40mL去離子水中，然后加入到上述混合體系中，進(jìn)行水熱反應(yīng)。醋酸鈷的濃度控制在0.01~lmg/mL,反應(yīng)溫度控制在120~180 °C，反應(yīng)時(shí)間控制在4~16小時(shí)。
[0014](4)所得產(chǎn)物用去離子水洗滌，60°C真空干燥即可得到氮摻雜石墨烯/四氧化三鈷納米復(fù)合材料。
[0015]實(shí)施例1
(I)制備氧化石墨烯水溶液
采用改進(jìn)的Hummers法，首先將天然鱗片石墨緩慢加入硫酸/磷酸混酸(H2SO4:H3PO4=Q:1, v/v)溶液中，隨后將高錳酸鉀加入其中，混合均勻后，將體系溫度升至50 V,反應(yīng)12 h，將產(chǎn)物分別用鹽酸、去離子水離心洗滌，直至pH到中性，冷凍干燥后將其分散在去離子水中，得到氧化石墨烯水溶液，其濃度控制4mg/mL。
[0016](2)將上述制備好的石墨烯水溶液(60mL)與ImL濃氨水在80°C回流攪拌一定時(shí)間，實(shí)現(xiàn)預(yù)摻雜；
(3)稱(chēng)量一定量的醋酸鈷，預(yù)先溶解于40mL去離子水中，然后加入到上述混合體系中，進(jìn)行水熱反應(yīng)。醋酸鈷的濃度控制在0.2mg/mL，反應(yīng)溫度控制在180 V，反應(yīng)時(shí)間控制在12小時(shí)。
[0017](4)所得產(chǎn)物用去離子水洗滌，60°C真空干燥即可得到氮摻雜石墨烯/四氧化三鈷納米復(fù)合材料。
[0018]實(shí)施例2
(I)制備氧化石墨烯水溶液采用改進(jìn)的Hummers法，首先將天然鱗片石墨緩慢加入硫酸/磷酸混酸(H2SO4:H3PO4=Q:1, v/v)溶液中，隨后將高錳酸鉀加入其中，混合均勻后，將體系溫度升至50 V,反應(yīng)12 h，將產(chǎn)物分別用鹽酸、去離子水離心洗滌，直至pH到中性，冷凍干燥后將其分散在去離子水中，得到氧化石墨烯水溶液，其濃度控制4mg/mL。
[0019](2)將上述制備好的石墨烯水溶液(60mL)與2mL濃氨水在80°C回流攪拌一定時(shí)間，實(shí)現(xiàn)預(yù)摻雜；
(3)稱(chēng)量一定量的醋酸鈷，預(yù)先溶解于40mL去離子水中，然后加入到上述混合體系中，進(jìn)行水熱反應(yīng)。醋酸鈷的濃度控制在0.2mg/mL，反應(yīng)溫度控制在180 V，反應(yīng)時(shí)間控制在12小時(shí)。
[0020](4)所得產(chǎn)物用去離子水洗滌，60°C真空干燥即可得到氮摻雜石墨烯/四氧化三鈷納米復(fù)合材料。
[0021]實(shí)施例3
(I)制備氧化石墨烯水溶液
采用改進(jìn)的Hummers法，首先將天然鱗片石墨緩慢加入硫酸/磷酸混酸(H2SO4:H3PO4=Q:1, v/v)溶液中，隨后將高錳酸鉀加入其中，混合均勻后，將體系溫度升至50 V,反應(yīng)12 h，將產(chǎn)物分別用鹽酸、去離子水離心洗滌，直至pH到中性，冷凍干燥后將其分散在去離子水中，得到氧化石墨烯水溶液，其濃度控制4mg/mL。
[0022](2)將上述制備好的石墨烯水溶液(60mL)與5mL濃氨水在80°C回流攪拌一定時(shí)間，實(shí)現(xiàn)預(yù)摻雜；
(3)稱(chēng)量一定量的醋酸鈷，預(yù)先溶解于40mL去離子水中，然后加入到上述混合體系中，進(jìn)行水熱反應(yīng)。醋酸鈷的濃度控制在0.4mg/mL，反應(yīng)