[发明专利]一种N-Fe2O3/氮硫双掺杂石墨烯复合电极材料及制备方法

说明书

本发明提供了一种N‑Fe₂O₃/氮硫双掺杂石墨烯复合电极材料及制备方法，步骤如下：步骤1、将氧化石墨烯置于乙醇和乙二醇的混合溶液中超声分散，得到稳定的均相氧化石墨烯的分散溶液A；步骤2、将九水合硝酸铁和氮硫源加入到步骤1的分散溶液A中，搅拌均匀得到混合溶液B；步骤3、将步骤2的混合溶液B转移到聚四氟乙烯水热釜中进行恒温水热反应，反应完毕后得到混合液C；步骤4、将步骤3的混合液C抽滤、洗涤、干燥，得到产物N‑Fe₂O₃/氮硫双掺杂石墨烯复合材料。本发明首次用一步水热法合成纳米粒子合成N‑Fe₂O₃纳米粒子负载双掺杂石墨烯材料，原料简单，绿色环保，合成过程简单无污染。

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，尤其涉及一种以氮硫双掺杂石墨烯为基体定域负载氮掺杂三氧化二铁纳米粒子复合材料的制备方法，所制备的复合材料可应用于超级电容器领域。

背景技术

随着环境污染和能源短缺问题日益严重，寻找新型可替代能源和储能装置已经迫在眉睫。超级电容器由于比电容高，循环稳定性好，工作温度范围宽，绿色环保，充电效率高和充电时间短等优点而引起了广泛关注。石墨烯具有单层二维结构，由于其较大的比表面积、超高的稳定性和优异的电导率等性能已成为电化学领域的研究热点。然而文献表明，石墨烯的实际容量小于理论容量，且衰减较快，这需要进行杂原子的掺杂调节石墨烯的电子结构。(Chen W，Shi J，Zhu T等.Electrochimica Acta，2015，177:327-334；Yi H T，Zhu YQ，Chen X Y等Journal of Alloys&Compounds，2015，649:851-858.)在石墨烯片层间引入N、S等杂原子可以改进石墨烯的电子电导率和倍率性能，N的掺杂可以在石墨烯晶格结构中引入更多的缺陷，并活化与N相连的C原子，而S的引入能够有效降低反应所需的活化能，提高石墨烯的局域反应活性。此外，由于石墨烯密度和自旋密度的重新分布，双掺杂可以产生更多缺陷孔，在与金属氧化物发生氧化还原反应存储电荷的过程中产生显著的协同效应。

简单过渡金属及过渡金属氧化物因为具有较高的理论电容量，因此受到广泛的关注，其中铁的氧化物具有较高的理论比容量、廉价易得和环境友好等优点，受到了较多的研究。但循环稳定性较差，阻碍了实际电极材料的进一步发展。氮(N)被认为是最有可能实现n型Fe₂O₃的掺杂元素，因为它的离子半径与氧(O)接近，而且N-Fe₂O₃具有更多的活性位点，有利于电解质离子的传输，从而提高电化学性能。将N-Fe₂O₃与氮硫双掺杂石墨烯材料复合能有效避免石墨烯间堆叠，使N-Fe₂O₃的高电容与改性石墨烯材料的大比表面积优势相互结合，达到双电层电容和赝电容的完美结合，极大的改良了复合材料的电容性能。目前，大量的文献进行掺杂都是通过两步或以上方法，先分别合成纳米粒子和基体材料，再进行纳米粒子和改性基体材料的复合。(Wang M，Huang Y，Chen X等.Journal of Alloys&Compounds，2017， 691:407-415.)公开号为CN105826572A的中国专利文献公开了一种N，S双掺杂碳纳米管包覆Fe_xC催化剂的制备方法，先制得催化剂前驱体，再经过高温煅烧和酸刻蚀得到催化剂材料。