一種氮摻雜石墨烯納米片的制備方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種氮摻雜石墨烯納米片的制備方法。
【背景技術】
[0002]氮摻雜石墨烯納米片由于比表面積大、電導率高、表面浸潤性好、表面催化活性點多等優點，因此可以作為電極材料，在鋰電池、超級電容器、燃料電池和染料敏化太陽能電池領域有巨大的潛在應用。
[0003]目前，制備氮摻雜石墨烯的方法主要是化學氣相沉積法和氧化石墨高溫處理法，這兩種方法需要較高的溫度和較長的制備時間，因此所制備的氮摻雜石墨烯價格較高，不適用大規模生產和應用。
【發明內容】
[0004]本發明涉及一種高效、環境友好的室溫制備氮摻雜石墨烯納米片的方法，方法簡單，成本低，適合大規模工業化生產和應用。
[0005]—種氮摻雜石墨烯納米片的制備方法，具體制備步驟如下:
將天然石墨粉與磁力鋼針按照重量比1:40?1:30混合，放入密封的容器內，其中，磁力鋼針和石墨占整個容器體積的1/4?1/3，充入氮氣使陶瓷罐的壓力保持在0.2MPa?0.4MPa;將充氮氣后的容器密封后放入磁力研磨機，開動磁力研磨機，研磨時間為3小時?10小時，生成氮摻雜石墨烯納米片。
[0006]所述磁力鋼針的長度為0.5cm，直徑為0.1cm0
[0007]所述天然石墨的細度為200目?300目。
[0008]所述密封容器為陶瓷罐或不銹鋼罐。
[0009]磁力研磨機研磨時，磁力研磨機的轉速為1800r/min。
[0010]磁力研磨機研磨時，保持磁力研磨機正轉和反轉交替進行，正轉和反轉的交替時間各為30min。
[0011]本發明的有益效果:
(I)、方法簡單，利用磁力研磨機在磁力鋼針的摩擦撞擊作用下，通過磁力驅動磁力鋼針研磨天然石墨粉，并使天然石墨粉與氮氣反應，在室溫條件即可制備氮摻雜石墨烯納米片，制備時間短，能耗低，效率高，成本低，并且，在制備過程中不需要添加對環境有害組份(如氨氣等)，對環境友好，適合大規模工業化生產和應用。
[0012](2)、所制備的氮摻雜石墨烯納米片對I3—還原反應具有較高的催化活性，用于染料敏化太陽能電池對電極，取得7.69%的較高光電轉換效率。
【附圖說明】
[0013]圖1是原始天然石墨的SEM圖；
圖2是本發明(對應實施例1)的氮摻雜石墨烯納米片的SEM圖； 圖3是本發明(對應實施例2)的氮摻雜石墨烯納米片的SEM圖；
圖4是本發明(對應實施例3)的氮摻雜石墨烯納米片的SEM圖；
圖5是本發明(對應實施例3)的氮摻雜石墨烯納米片的TEM圖；
圖6是本發明(對應實施例3)的氮摻雜石墨烯納米片的X-射線光電子能譜圖；
圖7是本發明的氮摻雜石墨烯納米片制備用于染料敏化太陽能電池對電極組裝的電池光電特性曲線。
【具體實施方式】
[0014]實施例1
將6.5g天然石墨粉(300目)和195g磁力鋼針(長度為0.5cm、直徑為0.1cm)混合，放入密封的600mL陶瓷罐內，充入氮氣使陶瓷罐的壓力為0.4MPa;將充氮氣后的陶瓷罐密封后放入磁力研磨機，開動磁力研磨機，控制磁力研磨機的轉速為1800r/min，保持磁力研磨機正轉和反轉交替進行，正轉和反轉的交替時間各為30min，研磨總時間為3小時，得到氮摻雜石墨烯納米片，其比表面積為480m2/g、氮含量為1.1%的氮摻雜石墨烯納米片(如圖2所示)，由圖2可以看出，與天然石墨相比(圖1)，可以有效的把大片天然石墨磨成小尺寸納米片，所制備的氮摻雜石墨稀納米片大小為0.5μηι?3μηι的納米片結構。
[0015]實施例2
將5g天然石墨粉(200目)與200g磁力鋼針(長度為0.5cm、直徑為0.1cm)混合，放入密封的800mL陶瓷罐內，充入氮氣使陶瓷罐的壓力為0.2MPa;將充氮氣后的陶瓷罐密封后放入磁力研磨機，開動磁力研磨機，控制磁力研磨機的轉速為1800r/min，保持磁力研磨機正轉和反轉交替進行，正轉和反轉的交替時間各為30min，研磨總時間為10小時，得到氮摻雜石墨烯納米片，其比表面積為760m2/g、氮含量為3.4%的氮摻雜石墨烯納米片(如圖3所示)，由圖3可以看出，所制備的氮摻雜石墨稀納米片大小為50nm?600nm的納米片結構。
[0016]實施例3
將4g天然石墨粉(200目)與140g磁力鋼針(長度為0.5cm、直徑為0.1cm)混合，放入密封的500mL陶瓷罐內，充入氮氣使陶瓷罐的壓力為0.3MPa;將充氮氣后的陶瓷罐密封后放入磁力研磨機，開動磁力研磨機，控制磁力研磨機的轉速為1800r/min，保持磁力研磨機正轉和反轉交替進行，正轉和反轉的交替時間各為30min，研磨總時間為7小時，得到氮摻雜石墨烯納米片，其比表面積為670m2/g、氮含量為2.7%的氮摻雜石墨烯納米片(如圖4和圖5所示)，由圖4可以看出，所制備的氮摻雜石墨稀納米片大小為10nm?800nm的納米片結構。圖6為該氮摻雜石墨稀納米片的X-射線光電子能譜，圖6顯示有Cls、01s和Nls峰，表明氮成功摻入碳結構。由NIs峰面積計算氮含量為2.7%。
[0017]本發明的氮摻雜石墨烯納米片可以應用于染料敏化太陽能電池的對電極。利用本發明實施例3的氮摻雜石墨烯納米片制備對電極，并應用于染料敏化太陽能電池。具體步驟如下:
(1)、首先對導電玻璃進行清洗預處理；
(2)、100mg所制備氮摻雜石墨烯納米片與1mL正丁醇、0.0lmL鈦酸丁酯混合，并研磨成碳楽；
(3)、將上述碳楽涂敷到處理好的導電玻璃上，厚度控制5μηι，200°C下處理15min，形成對電極；
(4)、然后將二氧化鈦漿料涂敷在處理好的導電玻璃上，厚度控制ΙΟμπι，450°C下熱處理后浸入染料中吸附，過夜，形成電池的工作電極；
(5)、在工作電極上壓上對電極，兩電極間的縫隙填充含有Γ/Ι3—氧化還原對(0.5MI2，
0.05MI3—)的電解質，制備成染料敏化太陽能電池，其電池光電特性曲線如圖7所示。
[0018]電池性能的測試是通過從電池的的工作電極與對電極上引出兩條導線接到電池性能測試裝置上。電池的工作面積為0.2(^—2，光照強度是100111?/(^2。填充因子^0是指在1-V曲線中可獲得最大輸出功率的點上的電流電壓乘積(Icipt X Vcipt)與IscX Vc^Isc為短路光電流，V。。為開路光電壓)之比，它體現電池的輸出功率隨負載的變動特性。光電轉換效率(η)貝IJ是Icipt X Vcip^輸入的光功率Pin之比。圖7是所組裝染料敏化太陽能電池的光電特性曲線，由圖7可以看出該染料敏化太陽能電池開路電壓0.719V，短路電流密度16.15mAcm—2，填充因子0.66;由圖7可以計算出電池的光電轉換效率為7.69%。因此所制備的氮摻雜石墨烯納米片可用來制備染料敏化太陽能電池對電極。
[0019]以上僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種氮摻雜石墨烯納米片的制備方法，其特征是: 具體制備步驟如下: 將天然石墨粉與磁力鋼針按照重量比1:40?1:30混合，放入密封的容器內，其中，磁力鋼針和石墨占整個容器體積的1/4?1/3，充入氮氣使陶瓷罐的壓力保持在0.2MPa?0.4MPa;將充氮氣后的容器密封后放入磁力研磨機，開動磁力研磨機，研磨時間為3小時?10小時，生成氮摻雜石墨烯納米片。2.根據權利要求1所述的氮摻雜石墨烯納米片的制備方法，其特征是:所述磁力鋼針的長度為0.5cm，直徑為0.1cm03.根據權利要求1所述的氮摻雜石墨烯納米片的制備方法，其特征是:所述天然石墨的細度為200目?300目。4.根據權利要求1所述的氮摻雜石墨烯納米片的制備方法，其特征是:所述密封容器為陶瓷罐或不銹鋼罐。5.根據權利要求1所述的氮摻雜石墨烯納米片的制備方法，其特征是:磁力研磨機研磨時，磁力研磨機的轉速為1800r/min。6.根據權利要求1所述的氮摻雜石墨烯納米片的制備方法，其特征是:磁力研磨機研磨時，保持磁力研磨機正轉和反轉交替進行，正轉和反轉的交替時間各為30min。
【專利摘要】一種氮摻雜石墨烯納米片的制備方法，將天然石墨粉與磁力鋼針按一定比例混合，放入密封的容器內，充入氮氣，將充氮氣后的容器密封放入磁力研磨機，開動磁力研磨機研磨，磁力驅動鋼針研磨天然石墨，并與氮氣反應生成氮摻雜石墨烯納米片。優點是：方法簡單，在室溫條件即可制備氮摻雜石墨烯納米片，制備時間短，能耗低，效率高，成本低，并且，在制備過程中不需要添加對環境有害組份，對環境友好，適合大規模工業化生產，可以應用染料敏化太陽能電池對電極。
【IPC分類】C01B31/04, B82Y30/00
【公開號】CN105645401
【申請號】
【發明人】王桂強, 張偉, 王彬
【申請人】渤海大學
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2016年3月17日