摻氮石墨烯材料及其制備方法、摻氮石墨烯電極和電化學(xué)電容器技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種摻氮石墨烯材料的制備方法，包括：取氧化石墨，按固液比1g：10~100mL的比例加入到熔融的離子液體中，加入摻氮?jiǎng)?000～2000W的微波爐內(nèi)處理10～300分鐘，得到混合液；將所述混合液置于離心機(jī)中，以1000～5000轉(zhuǎn)/分鐘的速度離心1～30分鐘，倒出離子液體，得到摻氮石墨烯材料。本發(fā)明專利技術(shù)還提供了采用該方法制得的摻氮石墨烯材料、包含該摻氮石墨烯材料的電極及其制備方法以及電化學(xué)電容器。本發(fā)明專利技術(shù)將氧化石墨置于離子液體中，加入摻氮?jiǎng)缓筮M(jìn)行微波剝離與還原，從而在不破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)的前提下，制得分散性好、電導(dǎo)率高、比容量大的摻氮石墨烯材料。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
摻氮石墨烯材料及其制備方法、摻氮石墨烯電極和電化學(xué)電容器
本專利技術(shù)涉及石墨烯材料合成領(lǐng)域，尤其是一種摻氮石墨烯材料及其制備方法、摻氮石墨烯電極和電化學(xué)電容器。
技術(shù)介紹
石墨烯是2004年英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈.K.海姆(Andre K.Geim)等發(fā)現(xiàn)的一種二維碳原子晶體，并獲得2010年物理諾貝爾獎(jiǎng)。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和良好的光電性質(zhì)，石墨烯目前已成為碳材料、納米技術(shù)和功能材料等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前制備石墨烯材料的方法主要是氧化還原法，但在制備過程中，石墨烯的片層結(jié)構(gòu)極易被破壞，嚴(yán)重影響了其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能；另外單一的石墨烯材料作為電極材料，也存在石墨烯之間團(tuán)聚、t匕表面積降低等缺陷，大大降低了石墨烯電極材料的比容量和電導(dǎo)率。近年來，有研究采用超聲波的方法制備了石墨烯-離子液體復(fù)合材料，有效解決了石墨烯結(jié)構(gòu)破壞與團(tuán)聚問題，但由于離子液體的存在，該復(fù)合材料的電導(dǎo)率較低、比容量較小。電化學(xué)電容器是一種介于電容器和電池之間的新型儲(chǔ)能器件。與傳統(tǒng)的電容器相t匕，電化學(xué)電容器具有更高的比容量。近年來，隨著電化學(xué)電容器的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了以石墨烯為電極材料的電化學(xué)電容器。然而由于石墨烯的上述技術(shù)缺陷，目前該類電化學(xué)電容器的能量密度和功率密度均較小。因此很有必要對(duì)石墨烯材料及其制備的電材做進(jìn)一步改進(jìn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于克服上述技術(shù)缺陷，提供一種摻氮石墨烯材料的制備方法，該方法將氧化石墨置于離子液體中，加入摻氮?jiǎng)缓筮M(jìn)行微波剝離與還原，從而在不破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)的前提下，制得分散性好、電導(dǎo)率高、比容量大的摻氮石墨烯材料；本專利技術(shù)還提供了采用該方法制得的摻氮石墨烯材料、包含該摻氮石墨烯材料的電極以及電化學(xué)電容器。第一方面，本專利技術(shù)提供了一種摻氮石墨烯材料的制備方法，包括:取氧化石墨，按固液比Ig =IO^lOOmL的比例加入到熔融的離子液體中，加入摻氮?jiǎng)?000~2000W的微波爐內(nèi)處理10~300分鐘，得到混合液；將所述混合液置于離心機(jī)中，以1000~5000轉(zhuǎn)/分鐘的速度離心I~30分鐘，倒出離子液體，得到摻氮石墨烯材料，所述摻氮石墨烯材料包括摻氮石墨烯與離子液體。 優(yōu)選地，所述氧化石墨采用如下步驟制得:按質(zhì)量比1:3取石墨與高錳酸鉀加入(TC的濃硫酸中形成混合液，將混合液的溫度保持在(Tl0°c攪拌2小時(shí)；然后將混合液置于室溫水浴條件下攪拌24小時(shí)，再于冰浴條件下加入去離子水；15分鐘后向混合液中加入過氧化氫除去高錳酸鉀，抽濾，最后用稀鹽酸對(duì)抽濾得到的固體物進(jìn)行洗滌與抽濾，直至濾液呈中性；干燥固體物，得到氧化石墨；所述石墨與濃硫酸的固液比為Ig:23mL，所述石墨與去離子水的固液比為Ig:387mL，所述高錳酸鉀與過氧化氫的固液比為1:25mL。更優(yōu)選地，所述石墨為天然磷片石墨、人造石墨和膨脹石墨中的任意一種。更優(yōu)選地，所述石墨為石墨粉，粒徑為100~500目。優(yōu)選地，所述離子液體為凝膠狀或凝固狀的離子液體；所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑溴鹽、1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽、1-乙基-3-甲基咪唑碘鹽、1-乙基-2，3- 二甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1，2- 二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1，2- 二甲基-3-乙基咪唑溴鹽、1，2- 二甲基-3-乙基咪唑氯鹽和1，2- 二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽中的至少一種。優(yōu)選地，所述離子液體熔融時(shí)的熔融溫度為15(T300°C。優(yōu)選地，所述摻氮?jiǎng)楣I(yè)氨水或尿素，所述工業(yè)氨水按石墨與工業(yè)氨水的固液比Ig:5~50mL的比例加入；所述尿素按石墨與尿素的質(zhì)量比1:1~20的比例加入。在本專利技術(shù)所述制備方法中，離子液體中的氧化石墨被微波剝離并還原為片層的石墨烯，石墨烯上的C原子與摻氮?jiǎng)┲械陌备x子結(jié)合，從而使石墨烯氮含量增加，電導(dǎo)率及比容量增大；而熔融的離子液體的存在，也使得制備的石墨烯材料具備很好的分散性；從氧化石墨制備石墨烯的整個(gè)過程中，從采用微波處理，無需使用強(qiáng)酸強(qiáng)堿，因而石墨烯的片層結(jié)構(gòu)不被破壞；原料來源廣，成本低，制備工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。第二方面，本專利技術(shù)還提供了一種摻氮石墨烯材料，所述摻氮石墨烯材料是通過上述制備方法制得的，所述摻氮石墨烯材料包括摻氮石墨烯和離子液體。優(yōu)選地，所述離子液體為凝膠狀或凝固狀的離子液體；所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑溴鹽、1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽、1-乙基-3-甲基咪唑碘鹽、1-乙基-2，3- 二甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、I, 2- 二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1，2- 二甲基-3-乙基咪唑溴鹽、1，2- 二甲基-3-乙基咪唑氯鹽和1，2- 二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽中的至少一種。本專利技術(shù)所述摻氮石墨烯材料，片層結(jié)構(gòu)完整，分散性好、電導(dǎo)率高、比容量大，適于制備電化學(xué)電容器的電極材料。第三方面，本專利技術(shù)提供了一種摻氮石墨烯電極的制備方法，包括如下步驟:(I)取氧化石墨，按固液比Ig =IO^lOOmL的比例加入到熔融的離子液體中，加入摻氮?jiǎng)?000~2000W的微波爐內(nèi)處理10~300分鐘，得到混合液；(2)將所述混合液置于離心機(jī)中，以1000~5000轉(zhuǎn)/分鐘的速度離心I~30分鐘，倒出離子液體，得到摻氮石墨烯材料，所述摻氮石墨烯材料包括摻氮石墨烯與離子液體；(3)將上述摻氮 石墨烯材料置于成型模具中，然后對(duì)模具蓋施加10~30MPa的壓力，冷卻至室溫，固化，制得摻氮石墨烯電極。優(yōu)選地，所述氧化石墨采用如下步驟制得:按質(zhì)量比1:3取石墨與高錳酸鉀加入(TC的濃硫酸中形成混合液，將混合液的溫度保持在(Tl0°c攪拌2小時(shí)；然后將混合液置于室溫水浴條件下攪拌24小時(shí)，再于冰浴條件下加入去離子水；15分鐘后向混合液中加入過氧化氫除去高錳酸鉀，抽濾，最后用稀鹽酸對(duì)抽濾得到的固體物進(jìn)行洗滌與抽濾，直至濾液呈中性；干燥固體物，得到氧化石墨；所述石墨與濃硫酸的固液比為Ig:23mL，所述石墨與去離子水的固液比為Ig:387mL，所述高錳酸鉀與過氧化氫的固液比為1:25mL。更優(yōu)選地，所述石墨為天然磷片石墨、人造石墨和膨脹石墨中的任意一種。更優(yōu)選地，所述石墨為石墨粉，粒徑為500目。優(yōu)選地，所述離子液體為凝膠狀或凝固狀的離子液體；所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑溴鹽、1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽、1-乙基-3-甲基咪唑碘鹽、1-乙基-2，3- 二甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1，2- 二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1，2- 二甲基-3-乙基咪唑溴鹽、1，2- 二甲基-3-乙基咪唑氯鹽和1，2- 二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽中的至少一種。優(yōu)選地，所述離子液體熔融時(shí)的熔融溫度為15(T30(TC。優(yōu)選地，所述摻氮?jiǎng)楣I(yè)氨水或尿素，所述工業(yè)氨水按石墨與工業(yè)氨水的固液比Ig:5?50mL的比例加入；所述尿素按石墨與尿素的質(zhì)量比1:1?20的比例加入。本專利技術(shù)所述摻氮石墨烯電極的制備方法直接將摻氮石墨烯材料經(jīng)成型壓制而成，凝固狀的離子液體可起到粘結(jié)劑的作用，因而本專利技術(shù)所述摻氮石墨烯電極無須使用粘結(jié)齊U，提高了活性物質(zhì)的比重，避免了粘結(jié)劑帶來的電極內(nèi)阻增加；另外由于摻氮石墨烯材料電導(dǎo)率足夠高，因此也不需要使用集流體，而且減少了調(diào)漿、混料、涂布等操作步驟，簡(jiǎn)化了電極的制備工藝。第四方面，本專利技術(shù)提供了一種摻氮石墨烯本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種摻氮石墨烯材料的制備方法，其特征在于，包括：取氧化石墨，按固液比1g：10~100mL的比例加入到熔融的離子液體中，加入摻氮?jiǎng)?000～2000W的微波爐內(nèi)處理10～300分鐘，得到混合液；將所述混合液置于離心機(jī)中，以1000～5000轉(zhuǎn)/分鐘的速度離心1～30分鐘，倒出離子液體，得到摻氮石墨烯材料，所述摻氮石墨烯材料包括摻氮石墨烯與離子液體。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種摻氮石墨烯材料的制備方法，其特征在于，包括: 取氧化石墨，按固液比Ig =IO^lOOmL的比例加入到熔融的離子液體中，加入摻氮?jiǎng)?000~2000W的微波爐內(nèi)處理10~300分鐘，得到混合液； 將所述混合液置于離心機(jī)中，以1000~5000轉(zhuǎn)/分鐘的速度離心I~30分鐘，倒出離子液體，得到摻氮石墨烯材料，所述摻氮石墨烯材料包括摻氮石墨烯與離子液體。2.如權(quán)利要求1所述的摻氮石墨烯材料的制備方法，其特征在于，所述氧化石墨采用如下步驟制得:按質(zhì)量比1:3取石墨與高錳酸鉀加入0°C的濃硫酸中形成混合液，將混合液的溫度保持在(T10°C攪拌2小時(shí)；然后將混合液置于室溫水浴條件下攪拌24小時(shí)，再于冰浴條件下加入去離子水；15分鐘后向混合液中加入過氧化氫除去高錳酸鉀，抽濾，最后用稀鹽酸對(duì)抽濾得到的固體物進(jìn)行洗滌與抽濾，直至濾液呈中性；干燥固體物，得到氧化石墨；所述石墨與濃硫酸的固液比為Ig:23mL,所述石墨與去離子水的固液比為Ig:387mL,所述高錳酸鉀與過氧化氫的固液比為1:25mL。3.如權(quán)利要求2所述的摻氮石墨烯材料的制備方法，其特征在于，所述石墨為天然磷片石墨、人造石墨和膨脹石墨中的任意一種。4.如權(quán)利要求1所述的摻氮石墨烯材料的制備方法，其特征在于，所述離子液體為凝膠狀或凝固狀的離子液體；所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑溴鹽、1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽、1-乙基-3-甲基咪唑碘鹽、1-乙基-2，3-二甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴鹽、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯鹽和1，2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽中的至少一種...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周明杰，王要兵，袁新生，
申請(qǐng)(專利權(quán))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，深圳市海洋王照明工程有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東;44