[发明专利]光照氮掺杂三维石墨烯包覆螺旋碳管复合材料的制备方法

说明书

本发明公开一种光照氮掺杂三维石墨烯包覆螺旋碳管复合材料的制备方法。以化学氧化制备的氧化石墨烯以及以燃烧化学气相沉积法制备的螺旋碳管为原料，包括将氧化石墨烯和螺旋碳管混合刮涂在泡沫镍上，光照实现高氮掺杂石墨烯的方法，将刮涂了氧化石墨烯和螺旋碳管混合物的泡沫镍在氨气氛围下，通过使用100到120 mJ/cm²能量的激光或汞灯可选择的区域位置进行光照，光照时间在1‑30分钟，得到高氮掺杂光还原氧化石墨烯和螺旋碳管三维复合材料。本发明操作方便、成本低、能大批量制备，通过光照时间、强度和混合螺旋碳管独特的交联作用，以达到调控氮掺杂含量以及石墨烯的导电率和的机械性能。

技术领域

本发明涉及螺旋碳纳米管(HCNTs)/还原氧化石墨(rGO)烯溶液的制备方法以及光化学方法实现螺旋碳纳米管/还原氧化石墨烯(掺氮螺旋碳纳米管/还原氧化石墨烯)同步还原和高氮掺杂的同时进行，属于石墨烯材料性能提升技术领域。

背景技术

石墨烯(Graphene)微观上是由碳原子sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，宏观上是只有一层厚度的碳原子组成的二维晶体。石墨烯具有优异的光学，力学特性，被认为是一种未来革命性的材料。在电化学领域，石墨烯是一种什么重要的电极材料。超级电容器的制备过程中最为重要的就是选择合适的电极材料，电极材料的选择直接影响着它的电化学性能。碳材料电极由于其低成本、高导电性、良好的化学稳定性、环境友好性和长的循环寿命等优点已经广泛用于超级电容器的能量存储装置中。自从首次从天然石墨中分离以来，石墨烯由于其二维(2D)平面结构而引起了广泛关注。独特的结构和卓越的性能使石墨烯在电子、生物传感和能量存储/转换中的应用具有很大的前景。由于石墨烯具有高理论比表面积(2630m²g^-1)和电子导电性，它的重要应用之一是用作超级电容器的电极材料。然而，在片层之间的范德尔斯作用会导致石墨烯聚集在一起，堆叠的石墨烯会降低表面积，严重影响电化学性能。近年来，将二维纳米结构材料转化成三维(3D)纳米结构材料被认为是防止聚集和堆叠的可行策略，由于三维纳米材料具有完全互连性结构和短离子/电子通路因此可以显著提高超级电容器的电化学性能。

具有可行性的想法是以一维材料作为连接二维材料的媒介以组成性能优越的三维材料。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有优异的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。由于碳纳米管中碳原子采取SP²杂化，相比SP³杂化，SP²杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量和高强度。1993年Itoh首先预测了螺旋碳管(HCNTs)的存在，紧接着1994年Zhang等人首次观测到，此后由于它们独特的螺旋结构、物理和化学性能，螺旋碳管引起了人们巨大的兴趣。这种特殊的类弹簧结构是通过周期性地将五元环和七元环插入直链碳纳米管的六元环网络而形成的弹簧状螺旋纳米碳管。由于它的特殊螺旋状，它具有巨大的接触面积，这降低了石墨烯与螺旋碳管或螺旋碳管之间的接触电阻。通过利用螺旋碳管作为连接氧化石墨烯(GO)的桥梁，形成固定的三维全碳网络，防止螺旋碳管或石墨烯之间的滑移，可以显著改善导电性能和机械性能。此外，螺旋碳管具有大量的缺陷位点，这可以增加可接触的电化学活性区域，并且螺旋碳管可以作为有效的隔离物来防止GO片层的堆叠。所有上述优点使得螺旋碳管在储能方面具有很大的潜在应用价值。迄今为止，大多数关于螺旋碳管的报道都集中在力学、电学、磁学、微波吸收等方面，然而，基于螺旋碳管的储能器件研究的报道很少。因此，本发明找到了一种极大提升石墨烯作为电极材料性能的方法。因此，这项工作中出现HCNTs的新型全碳纳米结构对储能的开发和应用非常有用，尤其是拉伸柔性器件。

发明内容