[发明专利]石墨烯管包裹金属氮化物纳米带及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合结构技术领域，具体涉及一种石墨烯管包裹金属氮化物纳米带及其制备方法。

背景技术

近年来，纳米材料由于其极大的科学价值及潜在的应用价值，引起了人们的广泛关注。理论和实验研究表明，相对于块体材料来说，纳米结构表现出更为优越的性能。特别是一维纳米材料(如纳米线和纳米管)具有一维的电子传导通道，因而表现出优异的光电化学性能。目前，研究较多的是金属氧化物，但是，这些金属的氧化物存在一些不足，例如较差的动力学性能或者在循环过程中(特别是更高倍率下)容量减退等问题，这在要求非常高的倍率性能的超级电容器领域表现的更为明显。因此，如何有效地增强金属氧化物纳米带的导电性是用来增强倍率性能以及电化学应用中的循环能力的有效方法。据报道，过渡金属氮化物的电导率要远远好于其氧化物[Kim I,Kumta P N,Blomgren G E,Electrochem Solid-State Lett,2000,3:493-496]，Mo2N具有一系列优良的性能，它的高熔点(2223K)、高硬度、超导性和催化特性使得其在陶瓷、电容器材料和催化领域获得了广泛的应用；同时石墨稀也具有良好的导电性，并且能较好的吸附于许多材料表面，形成包裹结构[Ferdinando Tristan-Lopez,Aaron Morelos-Gomez,Mauricio Terrones,ACS nano,2013,7,10788-10798]，可以有效弥补金属氧化物的导电性差的问题。

发明内容

本发明旨在克服现有的技术缺陷和成果限制，目的在于提供一种具有独特结构和优良电化学性能的石墨烯纳米管包裹金属氮化物纳米带及其制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

石墨烯管包裹金属氮化物纳米带，所述金属氮化物纳米带的带宽为100到500纳米，带长10-60微米，所述金属氮化物为氮化钼、氮化钛(TiN)或氮化钒(VN)，所述金属氮化物纳米带的表面有均匀分布的介孔，所述金属氮化物纳米带的外表面被卷曲的石墨烯堆叠管状结构包裹。

石墨烯管包裹金属氮化物纳米带的制备方法，它包括以下步骤：

1)金属氧化物前驱体纳米带的制备；

2)氧化石墨烯包裹金属氧化物前驱体纳米带的制备：称量20-200mg烘干的金属氧化物前驱体纳米带在蒸馏水中搅拌超声分散，然后加入聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液，继续搅拌5-60min后离心，量取5-100mL Hummer法制备的1mg/mL氧化石墨烯分散液，将离心得到的金属氧化物前驱体纳米带浓缩液逐滴加入氧化石墨烯分散液中，超声分散并搅拌待分散均匀后，抽滤烘干；

3)还原石墨烯管包裹金属氮化物纳米带的制备：将烘干的膜从滤膜上揭下，在氨气气氛下退火处理，退火温度为400-1200℃。

上述方案中，所述金属氧化物前驱体纳米带为三氧化钼、二氧化钛或者五氧化二钒。

上述方案中，所述三氧化钼纳米带的制备方法为：量取10mL双氧水置于容器中，将1.2g钼粉缓慢的加入到双氧水中，整个过程在冰水浴中进行，待钼粉完全加入后，加入蒸馏水稀释为1mol/L，搅拌30min，得到钼溶胶后转移至反应釜中，在恒温箱中进行水热反应，水热反应的温度为180℃，水热反应的时间是72h，然后自然冷却至室温，抽滤得到的产物并用蒸馏水和无水乙醇洗涤多次后冷冻干燥，得到三氧化钼纳米带。

上述方案中，步骤2)中聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液用量为1-30mL。

上述方案中，步骤2)中离心的转速为500-1500r/s，离心时间为2-15min，抽滤烘干的温度为20-100℃。

上述方案中，步骤3)中退火处理的升温速度是1-20℃/min，保温时间为10-180min。

所述的石墨烯管包裹金属氮化物纳米带在超级电容器中的应用。所述的金属氮化物纳米带尺寸均一，带外围的石墨烯管也均一包裹。

本发明通过阳离子电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液使金属氧化物前驱体纳米带表面带正电，因为氧化石墨烯表面带负电，两者混合后，因为正负电荷吸引，使得石墨烯能很好的包裹在金属氧化物前驱体纳米带的表面。这样处理的好处是，它不是简单的机械混合，包裹紧密，效果好；最后，通过一步法在气氛下高温退火，既能将氧化石墨烯高温还原成石墨烯，又能将金属氧化物前驱体处理得到更优性能的金属氮化物。

本发明得到的独特新颖的一维石墨烯管包裹金属氮化物纳米带结构具有以下有益效果：