[发明专利]一种氮掺杂石墨烯/铁酸锰纳米复合材料及其制备

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备领域，具体是涉及一种氮掺杂石墨烯/铁酸锰纳米复合材料及其制备。

背景技术

由于环境污染及化石能源的损耗，急需发明一种对环境友好的高性能储能元件。超级电容器是一种具有高能量密度、长循环寿命且对环境友好的新型储能元件，其中电极材料是决定超级电容器储能性能最重要的因素。

石墨烯(graphene)是近年被发现和合成的一种新型二维平面碳质纳米材料。由于其新奇的物理和化学性质，石墨烯已经成为备受瞩目的科学新星，是纳米材料领域的一大研究热点。但是较低的比电容限制了其在超级电容器中的应用，为了提高性能，对于石墨烯进行相应的修饰，掺杂和复合，成为研究的热点。Klaus Müllen等人通过水热法在石墨烯的表面同时掺杂了氮、硼（Three-Dimensional Nitrogen and Boron Co-doped Graphene for High-Performance All-Solid-State Supercapacitors.Advanced Materials2012,24(37):5130-5135.）；中国专利（CN103274393A、CN102760866A、CN103359708A、CN103359711A及CN102167310A等）通过不同的化学方法引入了氮源，制备了氮掺杂石墨烯，其中很多制备方法面临着生产成本高、反应所需设备复杂、反应条件苛刻、产量低等问题；虽然获得的氮掺杂石墨烯与石墨烯相比，提高了其导电性能，但是如将其作为超级电容器的电极材料，其电化学性能（如比电容）远远无法满足实际应用的要求。

铁酸锰作为金属氧化物的一种，具有较高的比电容，但是较差的循环稳定性限制了其应用，为了提高其稳定性，将其与碳材料进行复合，但所得到的二元材料具有的电化学性能仍不能够应用在高性能的储能元件中。

目前，氮掺杂石墨烯/铁酸锰二元电极材料还未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮掺杂石墨烯/铁酸锰纳米复合材料及其制备方法，并研究了不同的负载量对氮掺杂石墨烯/铁酸锰纳米复合材料的形貌及结构的影响，同时该制备方法合成工艺简单，成本较低廉，适合于大规模工业化生产。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种氮掺杂石墨烯/铁酸锰纳米复合材料，所述复合材料由基体材料氮掺杂石墨烯和铁酸锰组成，其中，基体材料氮掺杂石墨烯与铁酸锰的质量比为1:1～1:10；所述的基体材料氮掺杂石墨烯中氮的掺杂量为1～2%。

一种氮掺杂石墨烯/铁酸锰纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

第一步：将氧化石墨在无水乙醇中进行超声分散得到分散均匀的氧化石墨烯溶液；

第二步：将称量好的硝酸铁和硝酸锰加入到上述混合溶液中，并搅拌致其完全溶解；

第三步：将尿素加入到第三步所得到混合体系中，再次搅拌，使其分散均匀，其中尿素与氧化石墨的质量比为100:1～200:1；

第四步：将上述混合均匀的混合溶液转移至水热釜中，在120～200℃下进行水热反应；

第五步：将所得到进行离心分离，洗涤、干燥后获得氮掺杂石墨烯/铁酸锰纳米复合材料。

步骤一中所述的超声分散时间为1～3h。

步骤二中所述的铁酸锰与氧化石墨的质量比为1:1～10:1，硝酸铁和硝酸锰的摩尔比为2:1，搅拌分散时间为10～30min。

步骤三中所述的搅拌时间为30～60min。

步骤四中所述的反应时间为12～20h。

本发明与现有技术相比，本发明具有如下优点：（1）本发明合成工艺简单，生产成本低，利于低成本的大规模生产，且反应试剂无毒，对环境污染小；（2）采用尿素对氧化石墨烯进行还原，在还原的同时，在石墨烯的表面掺杂了氮原子，氮原子的掺杂改变了石墨烯表面化学性质，弥补了化学法制备石墨烯存在的表面缺陷同时，尿素提供的碱性，使铁酸锰在氮掺杂石墨烯的表面形成；（3）铁酸锰纳米粒子能够进一步阻止石墨烯层与层之间的堆积团聚，提高氮掺杂石墨烯/铁酸锰纳米复合材料的电化学性能，其比电容高达521F/g，较单组份的氮掺杂石墨烯276F/g和铁酸锰178F/g有了很大程度的提高。所以将氮掺杂石墨烯与铁酸锰复合在一起，充分发挥两者的优势，改善各自的缺陷，从而获得电化学性能优异的电极材料。

附图说明

附图1是本发明实施例1所制备的氮掺杂石墨烯/铁酸锰纳米复合材料的XPS光谱图（a）结构表征XRD图谱（b）和Raman光谱图（c）。