一種氮摻雜石墨烯電極材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電極材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今人類面臨能源日漸短缺，環(huán)境日益惡化的嚴(yán)重問題，發(fā)展清潔的可再生新型能量轉(zhuǎn)化與存儲裝置迫在眉睫。開發(fā)高性能的超級電容器電化學(xué)裝置，滿足未來對于同時具備高的能量密度、高的功率密度和長的循環(huán)壽命的要求，近些年來受到廣泛的關(guān)注。同時，石墨烯是sp2雜化碳原子組成的二維納米碳材料，由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性、廉價的制備成本、二維結(jié)構(gòu)帶來的巨大比表面積以及穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，成為制備超級電容器電極的理想材料。但是由于石墨烯本身具有電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的六邊形結(jié)構(gòu)，表面能低，因此具有較強的疏水性。這種疏水性極大地限制了溶劑離子與電極材料的接觸面積，只有很小一部分電極表面可以形成雙電層參與儲能行為。因此，雖然石墨烯基超級電容器具有良好的功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性，但是能量密度較低，這樣一來，存儲相同的能量，超級電容器在質(zhì)量和體積方面不占優(yōu)勢，極大地限制了其實際的應(yīng)用。
[0003]目前，石墨烯電極材料的改性方法主要有兩種，一種是通過改變石墨烯制備條件或?qū)κ∵M(jìn)彳丁后期處理改變石墨稀的表面結(jié)構(gòu)，引入表面缺陷，提尚表面能，從而提尚其比電容值，但這種方法變量多，不易控制且改善效果有限；還有一種是在石墨烯表面合成金屬氧化物，制備復(fù)合電極材料，引入贗電容。電極材料的比電容值確實大幅提高，但是由于金屬氧化物氧化還原反應(yīng)不完全可逆，且其本身的穩(wěn)定性是電極材料的工作電壓和循環(huán)穩(wěn)定性都大幅度降低。因此，我們在這里引入一種元素?fù)诫s的電極制備方法，在石墨烯生長完成后直接有氮等離子體轟擊，氮原子與碳原子大小相近，因此氮原子可以取代晶格中的碳原子并與周圍的原子成鍵，改變了石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，氮摻雜石墨烯的比電容值提高了約40%，且循環(huán)穩(wěn)定性良好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決現(xiàn)有石墨烯電極材料難以在保證循環(huán)穩(wěn)定性的條件下大幅提高比電容值的問題，而提供一種氮摻雜石墨烯電極材料的制備方法。
[0005]—種氮摻雜石墨烯電極材料的制備方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0006]—、制備表面生長石墨烯的集電極材料:利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積真空裝置或者化學(xué)氣相沉積裝置在集電極材料上生長石墨烯，得到表面生長石墨烯的集電極材料；
[0007]二、將表面生長石墨烯的集電極材料置于等離子體增強化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強為5Pa以下，通入氮氣，調(diào)節(jié)氮氣氣體流量為5sccm?50sccm，調(diào)節(jié)等離子體增強化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強為lOOPa?lOOOPa，并在壓強為100Pa?1000Pa和氮氣氣氛下，在20min?30min內(nèi)將溫度升溫至300 °C?800 °C ；
[0008]三、調(diào)節(jié)氮氣氣體流量為5sccm?lOOsccm，調(diào)節(jié)等離子體增強化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強為200Pa?500Pa，然后在射頻功率為50W?200W、壓強為200Pa?500Pa和溫度為300°C?800°C的條件下進(jìn)行轟擊，轟擊時間為Imin?30min ；
[0009]四、轟擊結(jié)束后，在氮氣氣氛下，從溫度為300°C?800°C自然冷卻至室溫，得到氮摻雜石墨烯電極材料。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
[0011]1、利用等離子體增強化學(xué)氣相設(shè)備，將氮氣離化后轟擊石墨烯原材料，過程簡單，成本低。
[0012]2、本發(fā)明所制備的氮原子摻雜石墨烯電極材料具有獨特的表面結(jié)構(gòu)，氮原子與碳原子反應(yīng)形成C-N鍵，在石墨烯片邊緣或內(nèi)部形成五元環(huán)等結(jié)構(gòu)，氮原子具有更大的電子親和能，且改變了石墨稀本身的電子濃度分布，提高石墨稀的電學(xué)性能，同時在石墨稀表面引入缺陷。
[0013]3、本發(fā)明的方法簡單，高效，便于工業(yè)化生產(chǎn)，改性后的石墨烯電極材料在儲能材料、氣體吸附材料等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[0014]本發(fā)明用于一種氮摻雜石墨烯電極材料的制備方法。
【附圖說明】
[0015]圖1為實施例一制備的氮摻雜石墨烯電極材料的掃描電鏡圖；
[0016]圖2為實施例一制備的氮摻雜石墨烯電極材料的XPS能譜圖。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。
[0018]【具體實施方式】一:本實施方式所述的一種氮摻雜石墨烯電極材料的制備方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0019]—、制備表面生長石墨烯的集電極材料:利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積真空裝置或者化學(xué)氣相沉積裝置在集電極材料上生長石墨烯，得到表面生長石墨烯的集電極材料；
[0020]二、將表面生長石墨烯的集電極材料置于等離子體增強化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強為5Pa以下，通入氮氣，調(diào)節(jié)氮氣氣體流量為5sccm?50sccm，調(diào)節(jié)等離子體增強化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強為10Pa?lOOOPa，并在壓強為10Pa?100Pa和氮氣氣氛下，在20min?30min內(nèi)將溫度升溫至300 °C?800 °C ；
[0021]三、調(diào)節(jié)氮氣氣體流量為5sccm?lOOsccm，調(diào)節(jié)等離子體增強化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強為200Pa?500Pa，然后在射頻功率為50W?200W、壓強為200Pa?500Pa和溫度為300°C?800°C的條件下進(jìn)行轟擊，轟擊時間為Imin?30min ；
[0022]四、轟擊結(jié)束后，在氮氣氣氛下，從溫度為300°C?800°C自然冷卻至室溫，得到氮摻雜石墨烯電極材料。
[0023]本實施方式的有益效果是:
[0024]1、利用等離子體增強化學(xué)氣相設(shè)備，將氮氣離化后轟擊石墨烯原材料，過程簡單，成本低。
[0025]2、本實施方式所制備的氮原子摻雜石墨烯電極材料具有獨特的表面結(jié)構(gòu)，氮原子與碳原子反應(yīng)形成C-N鍵，在石墨烯片邊緣或內(nèi)部形成五元環(huán)等結(jié)構(gòu)，氮原子具有更大的電子親和能，且改變了石墨稀本身的電子濃度分布，提高石墨稀的電學(xué)性能，同時在石墨稀表面引入缺陷。
[0026]3、本實施方式的方法簡單，高效，便于工業(yè)化生產(chǎn)，改性后的石墨烯電極材料在儲能材料、氣體吸附材料等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[0027]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積真空裝置在集電極材料上制備石墨烯，具體是按以下步驟進(jìn)行的:將集電極材料置于等離子體增強化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強為5Pa以下，通入氫氣，調(diào)節(jié)氫氣氣體流量為lOsccm?50sccm，調(diào)節(jié)等離子體增強化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強為150Pa?350Pa，并在壓強為150Pa?350Pa和氫氣氣氛下，在20min?60min內(nèi)將溫度升溫至500°C?800°C ;停止通入氫氣，通入氬氣和甲烷氣體，調(diào)節(jié)甲烷的氣體流量為5sccm?50sccm，調(diào)節(jié)氬氣的氣體流量為50sccm?lOOsccm，調(diào)節(jié)等離子體增強化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強為200Pa?lOOOPa，然后在射頻功率為100W?200W、壓強為200Pa?lOOOPa和溫度為500°C?800°C的條件下進(jìn)行沉積，沉積時間為5min?60min。其它與【具體實施方式】一相同。
[0028]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是:步驟一中利用化學(xué)氣相沉積裝置在集電極材料上制備石墨烯，具體是按以下步驟進(jìn)行的:將集電極材料置于化學(xué)氣相沉積裝置中，抽真空后通入氫氣和氬氣，調(diào)節(jié)氫氣氣體流量為lOsccm?50sccm，調(diào)節(jié)氬氣氣體流量為50sccm?500sccm，調(diào)節(jié)化學(xué)氣相沉積裝置中壓強為105Pa，然后將溫度升至900°C?1050°C，在壓強為105Pa和溫度為900°C?1050°C下保溫lOmin?30min ;通入甲燒，調(diào)節(jié)甲燒氣體流量為5sccm?50sccm，調(diào)節(jié)氫氣氣體流量為50sccm?lOOsccm，調(diào)節(jié)氬氣氣體流量為800sccm?lOOOsccm，在壓強為105Pa及溫度為900 °C?1050°C的條件下進(jìn)行沉積，沉積時間為5min?35min，沉積結(jié)束后，關(guān)閉加熱電源，停止通入甲燒和氬氣，在氫氣氣氛下，冷卻至室溫。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0029]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:步驟一中所述的集電極材料為金屬鎳或泡沫鎳。其它與【具體實施方式】一至三相同。
[0030]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:步驟二中通入氮氣，調(diào)節(jié)氮氣氣體流量為15sccm。其它與【具體實施方式】一至四相同。
[0031]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是:步驟二中通入氮氣，調(diào)節(jié)氮氣氣體流量為50sccm。其它與【具體實施方式】一至五相同。
[0032]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是:步驟三中然后在