[发明专利]一种石墨烯基金属化合物纳米阵列材料制备与应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯基金属化合物纳米阵列材料制备与应用，属于功能纳米材料的制备技术领域。将碳前躯物与金属盐混合物研磨后涂覆在泡沫镍基材上，在惰性气氛中热处理，通过洗涤得到石墨烯阵列材料。将石墨烯阵列材料通过溶液生长或电化学沉积和煅烧等手段可得到石墨烯基金属化合物纳米阵列材料。该方法制备的纳米阵列材料具有高导电率、快速离子传输通道以及高活性位点等物理特性，在能源存储与转换和电化学催化反应中，表现出长使用寿命、高容量的电存储性能和优异的电化学催化活性与稳定性。整个材料的制备流程简单，反应中无有毒产物生成，能耗低，绿色环保，适合工业化大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种可作为能源存储材料与电化学催化材料的石墨烯基金属化合物纳米阵列材料的规模化制备方法，属于功能纳米材料的制备技术领域。

背景技术

随着环境和能源问题的日益突出，以及替代性清洁能源的发展，高性能电存储器件得到广泛关注，成为我国十三五计划重点提出的研究方向。新型能源存储材料与高效电化学催化材料，成为推动高性能储能器件开发与应用的重要支柱。

现如今，锂电池和氢能源的发展在市场中已占有一席之地。锂电池现在已经广泛应用于电动车、手机、电脑和一些可穿戴设备中。随着新能源产业的不断发展，锂电池的市场需求会进一步扩大。氢气作为可替代化石燃料的清洁能源，由于其高质量能量密度、清洁、无毒、可再生、利用形式多元化等优点，已被广泛研究。作为能够将间歇可再生风和太阳能转化为可储存的化学能(即H₂，CO₂燃料)的清洁技术，电化学水分解已经引起了科学家的极大兴趣，努力探索有效策略，设计具有高活性、低成本和极好的稳定性锂电池和水分解的先进电极材料和电催化剂。

石墨烯是一种新材料，由单片结构的碳原子组成，分子中的碳原子与sp²混合轨道由六角环状平面薄膜材料和二维蜂窝格构成，只有一个碳原子厚度。基于石墨烯的复合材料可以用于改善材料的物理特性，石墨烯复合材料具有优异的导电性、机械延展性和热传导性等，在纳米电场效应晶体管、储能和导热材料的制备中具有良好的应用前景。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种性能优异、工艺过程简单、环保、高性能电化学催化活性的功能纳米阵列材料的合成方法，克服了常规电池材料生产工艺复杂，能耗高，成本高等缺点。制备得到的石墨烯基金属化合物纳米阵列材料性能稳定、容量高、使用寿命长，不仅可以应用于能量存储与转换(例如金属离子电池、金属空气电池、超级电容器)，且其在电解水析氢析氧反应中具有重要的应用。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种石墨烯基金属化合物纳米阵列材料制备方法，该制备方法包括以下步骤：

a、将碳前躯物与金属盐ZnCl₂/KCl混合研磨，所述碳前躯物为葡萄糖和三聚氰胺的混合物或1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺，将浆料涂覆在经过清洁的泡沫镍基材上，在惰性气氛中700～1000℃热处理≥0.5h，用稀酸水溶液、去离子水和无水乙醇洗涤后收集石墨碳纳米片CNS材料；

b、将步骤a中获得的石墨碳纳米片CNS于稀硝酸盐溶液中室温静置6～60h或电化学沉积(沉积电压为-1V)，制备得到石墨烯基金属氢氧化物，石墨烯基氢氧化铁CNS@FeOOH、石墨烯基氢氧化钴CNS@CoOOH或石墨烯基氢氧化镍CNS@NiOOH；

c、将石墨烯基金属氢氧化物CNS@FeOOH、CNS@CoOOH或CNS@NiOOH在氨气热处理，升温速率为2～15℃/min，速度升温≥500℃，保持1～5h，得到石墨烯基金属氮化物CNS@FeNx、CNS@CoNx或CNS@NiNx。

优选的，所述步骤a中所用的碳前驱物与金属盐混合物ZnCl₂/KCl的质量比为1:4:2。

优选的，所述步骤a中的热处理条件的惰性气体为氮气或氩气。