一種制備高比電容石墨烯的方法
【專利摘要】制備高比電容石墨烯的方法，包括如下步驟：1)以氧化石墨烯為原材料，在700±100℃下氬氣保護下退火1±0.5小時，對氧化石墨烯進行還原處理；2)將還原后的氧化石墨烯和二氟化氙反應，還原后的氧化石墨烯和二氟化氙的質量比為1:5～20，以此獲得氟化的還原氧化石墨烯；3)利用獲得的氟化還原氧化石墨烯為原材料，將氟化還原氧化石墨烯放在管式爐中，通以氨氣并加熱至400-800℃，尤其是500℃下恒溫反應3±1小時，然后冷卻至室溫，即得到氮摻雜的石墨烯。本發(fā)明利用缺陷較多的氟化還原氧化石墨烯作為原材料有利于高含量的氮摻雜。同時，氮摻雜石墨烯具有較高的比電容。
【專利說明】一種制備高比電容石墨烯的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有尚比電容的氣慘雜石墨稀及其制備方法。

【背景技術】
[0002]自從氮摻雜石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，由于其具有獨特的電子、光電子特性，氮摻雜石墨烯已被廣泛用于生物成像、發(fā)光及光電等許多領域。特別是因為氮摻雜石墨烯中氮原子和陽離子具有較大的結合能，因此其在超級電容器中存在巨大的潛在應用前景。然而，目前報道的氮摻雜石墨烯氮含量仍然較低，其作為超級電容器的比電容仍然遠低于理論上的最高值，本方法制備的氮摻雜石墨烯具有較高的氮摻雜量，并且具有較高的比電容值，是目前傳統(tǒng)方法制備的氮摻雜石墨烯的超級電容器的有力補充，將能擴大氮摻雜石墨烯在超級電容器方面的應用。
[0003]參考文獻:
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【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的在于，提出一種新的制備高比電容氮摻雜石墨烯的方法。本發(fā)明通過使用氟化的還原氧化石墨烯作為原材料制備氮摻雜石墨烯。與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明工藝制備的氮摻雜石墨烯具有高氮摻雜量，通過高的氮摻雜量可以引入高的比電容的性質。并且，此制備工藝簡單、過程容易控制，適宜大規(guī)模生產(chǎn)。
[0009]本發(fā)明的技術方案是:制備高比電容石墨烯(氮摻雜石墨烯)的方法，包括如下步驟:
[0010]I)以氧化石墨烯為原材料，在700±100°C下保持20±5SCCm流量的氬氣下退火1±0.5小時，對氧化石墨稀進行還原處理；
[0011]2)將步驟I)中還原后的氧化石墨烯和二氟化氙反應，還原后的氧化石墨烯和二氟化氙的質量比為1:5?20，以此獲得氟化的還原氧化石墨烯；
[0012]3)利用步驟2)中獲得的氟化還原氧化石墨烯為原材料，將氟化還原氧化石墨烯放在管式爐中，通以氨氣并加熱至400-800 V，尤其是500 V下恒溫反應3 ± I小時，然后冷卻至室溫，即得到氮摻雜的石墨烯。
[0013]進一步，步驟I)在700°C下保持一定流量的氬氣下退火I小時，對氧化石墨烯進行還原處理獲得還原氧化石墨稀NG-500。如1-10升的管式爐采用氨氣流量保持20sccm。
[0014]進一步，步驟2)以二氟化氙為氟化劑，把30mg還原的氧化石墨烯和300mg的二氟化氙裝進聚四氟乙烯內杯，聚四氟乙烯內杯密閉；再把聚四氟乙烯內杯裝進不銹鋼外罐，用水管鉗把不銹鋼外罐的蓋子擰緊，把不銹鋼外罐放進烘干箱，在200°C下恒溫反應24小時，自然冷卻至室溫。
[0015]進一步，步驟3)中以氨氣為氮源，把30mg氟化石墨烯放在管式爐中，通以氨氣并加熱至400-800°C，尤其是500°C下恒溫反應3小時，自然冷卻至室溫。氨氣流量保持20sccmo
[0016]進一步，所述步驟I)以氧化石墨稀為原材料，以50mg氧化石墨稀在20sccm流量的氬氣下退火I小時制得還原氧化石墨烯。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:現(xiàn)有的氮摻雜石墨烯制備方法中通常原材料的缺陷較少，本發(fā)明利用氟化還原氧化石墨烯作為原材料，在摻雜的過程中引入大量缺陷，有利于高含量的氮摻雜。同時，所制得的氮摻雜石墨烯具有高的比電容，其比電容高達353.8F/g，并且循環(huán)壽命達到5000次以上。且通過調節(jié)氮含量，其比電容的大小可以得到調節(jié)。
[0018]用本發(fā)明制備的產(chǎn)品通過以下手段進行結構和性能表征:利用美國Veeco公司生產(chǎn)的dimens1n V原子力顯微鏡(AFM)直接觀察產(chǎn)品的形狀和厚度；采用CHI 660D電化學工作站，分析樣品的比電容。本發(fā)明利用缺陷較多的氟化還原氧化石墨烯作為原材料有利于高含量的氮摻雜。同時，氮摻雜石墨烯具有較高的比電容，且比電容的大小隨著氮摻雜的含量的改變而改變，調節(jié)范圍從229.lF/g至353.8F/g。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是實施例1制備的氟化石墨烯的典型的原子力顯微鏡的觀測結果，從圖中可見其平均厚度是1.83nm。
[0020]圖2是實施例1制備的氮摻雜石墨烯NG-500的典型的原子力顯微鏡的觀測結果，從圖中可見產(chǎn)品的平均厚度降低至1.41nm。
[0021]圖3是實施例7制備的氮摻雜石墨烯的循環(huán)伏安(CV)曲線，從圖中可以看出，氮摻雜石墨烯具有較高的比電容，且比電容的大小隨著氮摻雜的含量的改變而改變，調節(jié)范圍從 229.lF/g 至 353.8F/g。
[0022]其中，NG-400，NG-500, NG-600，NG-700, NG-800為所得樣品的命名，數(shù)字表示退火溫度。
[0023]圖4是基于CV曲線所得比電容隨退火溫度的變化曲線，內置插圖是比電容隨氮含量的變化曲線。

【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的說明，實施例中所用試劑為化學純。
[0025]實施例1:制備氮摻雜石墨烯的方法，包括如下步驟:
[0026](I)以50mg氧化石墨烯為原材料，在700°C下保持20sCCm流量的氬氣下退火I小時，對氧化石墨烯進行還原處理；
[0027](2)以二氟化氙為氟化劑，將30mg還原的氧化石墨烯和300mg的二氟化氙裝進聚四氟乙烯內杯，聚四氟乙烯內杯密閉；再把聚四氟乙烯內杯裝進不銹鋼外罐，用水管鉗把不銹鋼外罐的蓋子擰緊，把不銹鋼外罐放進烘干箱，在200°C下恒溫反應36小時，自然冷卻至室溫。
[0028](3)將30mg氟化的還原氧化石墨烯放在管式爐中，通以氨氣并加熱至500°C下恒溫反應3小時，自然冷卻至室溫，即得到氮摻雜的石墨烯NG-500。
[0029]實施例2:實驗過程和條件與實施例1 一樣，但還原溫度改為400°C，即得到氮摻雜的石墨烯NG-400。
[0030]實施例3:實驗過程和條件與實施例1 一樣，但還原溫度改為600°C，即得到氮摻雜的石墨烯NG-600。
[0031]實施例4:實驗過程和條件與實施例1 一樣，但還原溫度改為700°C，即得到氮摻雜的石墨烯NG-700。
[0032]實施例5:實驗過程和條件與實施例1 一樣，但還原溫度改為800°C，即得到氮摻雜的石墨烯NG-800。
[0033]實施例6:把實施例1-5制備所得氮摻雜石墨烯各取20.0mg與3.0mg的乙炔黑和
1.0mg的聚四氟乙烯在研缽中混合，并在N-甲基吡咯烷酮的濕潤下均勻碾磨，然后將所得樣品均勻涂抹在鎳泡沫(1.0cmXl.0cm)后于60°C真空干燥，最后在20MPa的壓力下進行壓靶操作，對所得樣品在室溫下于6M KOH的水溶液中進行電化學測試，所得CV曲線見圖4。結果發(fā)現(xiàn)氮摻雜石墨烯具有較高的比電容，且比電容的大小隨著氮摻雜的含量的改變而改變，調節(jié)范圍從229.lF/g至353.8F/g。
[0034]圖1是實施例1制備的氟化石墨烯的典型的原子力顯微鏡的觀測結果，內置插圖是基于原子力顯微鏡觀測結果得到的高度分布圖。
[0035]圖2是實施例1制備的氮摻雜石墨烯NG-500的典型的原子力顯微鏡的觀測結果，內置插圖是基于原子力顯微鏡觀測結果得到的高度分布圖。
[0036]圖3是實施例6制備的氮摻雜石墨烯的循環(huán)伏安(CV)曲線。
[0037]圖4是基于CV曲線所得比電容隨退火溫度的變化曲線，內置插圖是比電容隨氮含量的變化曲線，從圖中可以看出，氮摻雜石墨烯具有較高的比電容，且比電容的大小隨著氮摻雜的含量的改變而改變，調節(jié)范圍從229.lF/g至353.8F/g。
[0038]雖然本發(fā)明已有技術方案和較佳實施例陳述如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬【技術領域】中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作各種的變化、更替與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。
【權利要求】
1.制備高比電容石墨烯的方法，其特征是包括如下步驟: 1)以氧化石墨烯為原材料，在700±100°c下氬氣保護下退火1±0.5小時，對氧化石墨烯進行還原處理； 2)將步驟1)中還原后的氧化石墨烯和二氟化氙反應，還原后的氧化石墨烯和二氟化氙的質量比為1:5?20，以此獲得氟化的還原氧化石墨烯； 3)利用步驟2)中獲得的氟化還原氧化石墨烯為原材料，將氟化還原氧化石墨烯放在管式爐中，通以氨氣并加熱至400-800°C，尤其是500°C下恒溫反應3±1小時，然后冷卻至室溫，即得到氮摻雜的石墨烯。
2.根據(jù)權利要求1所述制備高比電容石墨烯的方法，其特征是步驟1)在700°C下保持一定流量的氬氣下退火1小時，1-10升的管式爐采用氨氣流量保持20sCCm ;對氧化石墨烯進行還原處理獲得還原氧化石墨烯NG-500。
3.根據(jù)權利要求1所述制備高比電容石墨烯的方法，其特征是步驟2)以二氟化氙為氟化劑，把30mg還原的氧化石墨稀和300mg的二氟化氣裝進聚四氟乙稀內杯，聚四氟乙稀內杯密閉；再把聚四氟乙烯內杯裝進不銹鋼外罐，用水管鉗把不銹鋼外罐的蓋子擰緊，把不銹鋼外罐放進烘干箱，在200°C下恒溫反應24小時，自然冷卻至室溫。
4.根據(jù)權利要求1所述制備高比電容石墨烯的方法，其特征是步驟3)中以氨氣為氮源，把30mg氟化石墨烯放在管式爐中，通以氨氣并加熱至400-800°C，尤其是500°C下恒溫反應3小時，自然冷卻至室溫。氨氣流量保持20sccm。
5.根據(jù)權利要求1所述制備高比電容石墨烯的方法，其特征是所述步驟1)以氧化石墨稀為原材料，以50mg氧化石墨稀在20sccm流量的氬氣下退火1小時制得還原氧化石墨稀。
【文檔編號】C01B31/04GK104495805SQ201410708764
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權日:2014年11月28日
【發(fā)明者】劉圓, 湯怒江, 都有為 申請人:南京大學