一種以酰胺化的氧化石墨烯為前驅體的摻氮石墨烯的制備及其電容性能研究的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種以酰胺化的氧化石墨烯為前驅體的摻氮石墨烯的制備及其電容性能研究。包括以下步驟：摻氮石墨烯的制備、摻氮石墨烯修飾電極的制備、摻氮石墨烯電容性能的測試和循環壽命的測試。本發明的有益效果是這種摻氮石墨烯不易團聚、具有優異的電容行為和循環壽命。
【專利說明】
一種以酰胺化的氧化石墨烯為前驅體的摻氮石墨烯的制備及其電容性能研究
技術領域
[0001]本發明涉及一種以酰胺化的氧化石墨烯為前驅體的摻氮石墨烯的制備及其電容性能研究，屬于超級電容器性能研究和材料合成領域。
技術背景
[0002]近年來，石墨烯因其良好的導電性、熱穩定性和力學性能得到了廣泛的關注，它已經對能量儲存和轉換、傳感器等領域帶來巨大的變革。實驗表明，雜原子(尤其是氮原子)摻雜的石墨烯能夠很好的改善其表面性能，從而大大提高它的電容量。然而，對于純粹的石墨烯和摻氮的石墨烯而言，由于其石墨烯層間的范德華力以及JT-JT作用導致石墨烯在制備的過程中發生了不可逆團聚，比表面積得到了很大的損害，從而對其優良的電容性能有一定的削弱作用。到目前為止，已經有很多的路線來制備不可團聚的石墨烯從而改善其性能，包括自組裝，化學氣相沉積等方法，但這些方法制備的石墨烯力學性能不好。因此，在這我們提出一種通過酰胺化修飾氧化石墨烯再還原煅燒的方法來制備不可團聚的摻氮石墨烯。這樣既保證了石墨烯網格中摻雜進了氮元素，又保證石墨烯擁有大的比表面積，使材料的電容性能有了很大的提尚。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是在于提供一種以酰胺化的氧化石墨烯為前驅體的摻氮石墨烯的制備并將其應用于超級電容器的電極材料。本發明提供了一種新的摻氮石墨烯的制備方法，將氧化石墨烯與吡啶-2，6-二羧酸、2，6-二氨基吡啶混合進行酰胺化反應后用NaBH4還原得到酰胺長鏈修飾的石墨烯，最后將修飾后的石墨烯進行煅燒從而得到摻氮石墨烯。
[0004]本發明所述一種以酰胺化的氧化石墨烯為前驅體的摻氮石墨烯的制備及其電容性能研究，包括以下步驟:
[0005]a、摻氮石墨烯的制備:取氧化石墨烯加入到N，N-二甲基甲酰胺中，超聲分散，分別取吡啶-2，6-二羧酸、2，6_二氨基吡啶4^ -二環己基碳二亞胺加入到上述分散液攪拌均勻，后將分散液倒入10mL的高壓反應釜中通％半個小時，將反應釜密封置于烘箱中，反應完畢后，取NaBH4加入反應液中，室溫條件下反應，最后將生成物離心，用水洗滌數次，冷凍干燥，將冷凍干燥后的產物煅燒即得到最終產物；
[0006]b、摻氮石墨烯修飾電極的制備:將步驟a中所得摻氮石墨烯超聲分散于超純水中，然后將5yL濃度為lmg/mL的分散液滴涂到電極上，室溫下干燥，得到該摻氮石墨烯修飾的電極；
[0007]c、摻氮石墨烯電容性能的測試:通過電化學工作站進行摻氮石墨烯電容性能的測試，本實驗采用三電極體系，摻氮石墨烯修飾電極為工作電極，鉑片為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，電解液為H2SO4溶液，在以上條件下進行計時電位測試，并通過計時電位圖計算摻氮石墨烯的比電容；
[0008]d、摻氮石墨烯循環壽命的測試:通過電化學工作站進行摻氮石墨烯材料循環性能的測試，本實驗采用三電極體系，摻氮石墨烯修飾電極為工作電極，鉑片為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，H2SO4溶液為電解液，在以上條件下進行計時電位測試，對摻氮石墨烯在不同充放電次數下的比電容進行統計。
[0009]進一步，所述步驟a中氧化石墨稀的量為30?70mg，N, N-二甲基甲酰胺的量為30?70mL，吡啶-2,6-二羧酸、2,6-二氨基吡啶的量為100?30011^，^-二環己基碳二亞胺的量為I?4g。
[0010]進一步，所述步驟a中將反應釜密封置于烘箱中，烘箱的溫度為70?100°C，反應時間為20?40h。
[0011]進一步，所述步驟a中加入NaBH4的量為20?40mg，反應時間為8?16h。
[0012]進一步，所述步驟c和d中電化學測試中H2SO4電解液濃度為0.5?2mol/L。
[0013]本發明的有益效果是:這種摻氮石墨烯不易團聚、具有優異的電容行為和循環壽命O
【附圖說明】
[0014]下面結合附圖對本發明進一步說明。
[0015]圖1為實施例中所制備的摻氮石墨烯的透射電鏡圖；
[0016]圖2為實施例一中所制備的摻氮石墨烯與對比例一中石墨烯在電流密度為lA/g時的計時電位曲線；
[0017]圖3為實施例中所制備的摻氮石墨烯的循環壽命曲線。
【具體實施方式】
[0018]現在結合具體實施例對本發明做進一步說明，以下實施例旨在說明本發明而不是對本發明的進一步限定。
[0019]實施例一:
[0020]以酰胺化的氧化石墨烯為前驅體的摻氮石墨烯的制備及其電容性能研究，包括以下步驟:
[0021](I)取50mg氧化石墨烯加入到50mL的N，N-二甲基甲酰胺中，超聲分散。分散完全后，分別取200mg吡啶-2，6-二羧酸、200mg 2，6-二氨基吡啶、2g N，M _二環己基碳二亞胺加入到上述分散液攪拌均勻，后將分散液倒入10mL的高壓反應釜中通犯半個小時，完畢后，將反應釜密封置于90°C的烘箱中24h。反應完畢后，取35mg的NaBH4加入反應液中，室溫攪拌12h，最后將生成物離心，用水洗滌數次，冷凍干燥24h。將冷凍干燥后的產物750 °C下煅燒4h即得到最終的產物。如圖1，該方法制得的石墨烯不易團聚。
[0022](2)將步驟(I)中所得摻氮石墨烯超聲分散于超純水中，然后將5yL濃度為lmg/mL的分散液滴涂到電極上，室溫下干燥，得到該摻氮石墨烯修飾的電極。
[0023](3)通過電化學工作站進行摻氮石墨烯電容性能的測試，本實驗采用三電極體系，摻氮石墨烯修飾電極為工作電極，鉑片為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，電解液為H2SO4溶液，在以上條件下進行計時電位測試，并通過計時電位圖計算摻氮石墨烯的比電容。如圖2，該摻氮石墨烯具有很好的電容性能，在電流密度為lA/g時，其比電容為408F/g。
[0024](4)通過電化學工作站進行摻氮石墨烯循環性能的測試，本實驗采用三電極體系，摻氮石墨烯修飾電極為工作電極，鉑片為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，H2SO4溶液為電解液，在以上條件下進行計時電位測試，對摻氮石墨烯在不同充放電次數下的比電容進行統計。如圖3，該摻氮石墨烯經過5000次充放電后，其電容保持率為90.6 %。
[0025]對比例一:
[0026]石墨烯的制備及其電容性能研究，包括以下步驟:
[0027](I)取0.4g氧化石墨烯于400mL超純水中，超聲處理，待其分散均勻后，倒入500mL三口燒瓶中，然后加入6mL的水合肼和60mL的氨水，在90 V的條件下加熱6h，并伴隨攪拌。反應完成后，過濾，直至濾液顯中性，同樣的冷凍干燥24h。將冷凍干燥后的產物750°C下煅燒4h即得到最終的產物。
[0028](2)將步驟(I)制得的石墨烯超聲分散于超純水中，然后將5yL濃度為lmg/mL的分散液滴涂到電極上，室溫下干燥，得到該石墨烯修飾的電極。
[0029](3)通過電化學工作站進行石墨烯電容性能的測試，本實驗采用三電極體系，石墨烯修飾電極為工作電極，鉑片為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，電解液為lmol/L H2SO4溶液，在以上條件下進行計時電位測試，并通過計時電位圖計算石墨烯的比電容。如圖2，該石墨烯在電流密度為lA/g時，其比電容為146F/g。
【主權項】
1.一種以酰胺化的氧化石墨烯為前驅體的摻氮石墨烯的制備及其電容性能研究，其特征在于:步驟如下: a、摻氮石墨烯的制備:取氧化石墨烯加入到N，N-二甲基甲酰胺中，超聲分散，分別取吡啶-2，6-二羧酸、2，6-二氨基吡啶、N-二環己基碳二亞胺加入到上述分散液攪拌均勻，后將分散液倒入10mL的高壓反應釜中通％半個小時，將反應釜密封置于烘箱中，反應完畢后，取NaBH4加入反應液中，室溫條件下反應，最后將生成物離心，用水洗滌數次，冷凍干燥，將冷凍干燥后的產物煅燒即得到最終產物； b、摻氮石墨烯修飾電極的制備:將步驟a中所得摻氮石墨烯超聲分散于超純水中，然后將5μΙ^?度為lmg/mL的分散液滴涂到電極上，室溫下干燥，得到該摻氮石墨烯修飾的電極； c、摻氮石墨烯電容性能的測試:通過電化學工作站進行摻氮石墨烯電容性能的測試，本實驗采用三電極體系，摻氮石墨烯修飾電極為工作電極，鉑片為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，電解液為H2SO4溶液，在以上條件下進行計時電位測試，并通過計時電位圖計算摻氮石墨烯的比電容； d、摻氮石墨烯循環壽命的測試:通過電化學工作站進行摻氮碳石墨烯循環性能的測試，本實驗采用三電極體系，摻氮石墨烯修飾電極為工作電極，鉑片為對電極，飽和甘汞電極為參比電極,H2SO4溶液為電解液，在以上條件下進行計時電位測試，對摻氮石墨烯在不同充放電次數下的比電容進行統計。2.根據權利要求1所述一種以酰胺化的氧化石墨烯為前驅體的摻氮石墨烯的制備及其電容性能研究，其特征是:所述步驟a中氧化石墨稀的量為30?70mg，N,N-二甲基甲酰胺的量為30?70mL，吡啶-2，6-二羧酸、2，6-二氨基吡啶的量為100?300mg，N，N7 -二環己基碳二亞胺的量為I?4g。3.根據權利要求1所述一種以酰胺化的氧化石墨烯為前驅體的摻氮石墨烯的制備及其電容性能研究，其特征是:所述步驟a中將反應釜密封置于烘箱中，烘箱的溫度為70?100°C，反應時間為20?40h。4.根據權利要求1所述一種以酰胺化的氧化石墨烯為前驅體的摻氮石墨烯的制備及其電容性能研究，其特征是:所述步驟a中加入NaBH4的量為20?40mg，反應時間為8?16h。5.根據權利要求1所述一種以酰胺化的氧化石墨烯為前驅體的摻氮石墨烯的制備及其電容性能研究，其特征是:所述步驟c和d中電化學測試中秘04電解液濃度為0.5?2mol/L。
【文檔編號】H01G11/36GK106024426SQ201610533783
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月7日
【發明人】孔泳, 王丙虎
【申請人】常州大學