[发明专利]一种氮掺杂石墨烯基纤维和超级电容器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种氮掺杂石墨烯基纤维和超级电容器及其制备方法。该纤维是以石墨烯为芯层，氮掺杂石墨烯为皮层。该方法包括:将氧化石墨烯纤维置于吡咯水溶液中，避光静置，加入氧化剂继续避光静置，得到氧化石墨烯/聚吡咯纤维，预氧化，热还原。该纤维具有极高的倍率性能，电化学性能优良以及循环寿命较长，且具有一定的柔性，有望用于大批量的智能可穿戴纺织品的生产中。

技术领域

本发明属于超级电容器电极和超级电容器及其制备领域，特别涉及一种氮掺杂石墨烯基纤维和超级电容器及其制备方法。

背景技术

近年来，柔性超级电容器在可穿戴及便携性电子器件方向具有巨大的潜在应用和市场需求。而柔性电极作为柔性超级电容的核心部分，其电化学性能是至关重要的。在各种柔性电源中，纤维状超级电容器由于其自身重量轻、体积小、弹性好、耐磨等优点受到越来越多的关注。与传统的刚性平面超级电容器不同，纤维状的超级电容器可以直接用于织物可穿戴纺织/织物电子设备的电源。其中，超级电容器，又名电化学电容器，是一种主要依靠双电层和氧化还原膺电容电荷储存电能的新型储能装置。与传统的化学电源不同，超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的电源，具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、土作温度范围宽等优势。因此，可以广泛应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等不同的应用场景，在土业控制、电力、交通运输、智能仪表、消费型电子产品、国防、通信、新能源汽车等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力。石墨烯基超级电容器拥有功率密度高，充放电快，循环时间长等优点，但是，纯石墨烯的活性位点不够，不具有选择性，在实际应用中不具备很好的匹配度；而且石墨烯基材料在酸性介质下的氧化还原反应中催化活性较低，不足以替代贵金属作为电催化剂。在此情况下，化学掺杂能够有效地调节其电子结构，改善其物理化学性质，从而优化了石墨烯多方面的性能。由于N原子具有与C原子近似的原子半径，可以作为电子供体以取代的方式对石墨烯进行掺杂，且生成的N掺杂石墨烯表现出诸多优良的性能。

在对石墨烯纤维直接进行氮掺杂的研究中，大多研究主要是将氧化石墨烯溶液和含氮物质均匀混合进行纺丝，再利用热处理法制备氮掺杂石墨烯。如北京理工大学化学学院丁晓腾团队在文章《A novel nitrogen-doped graphene fiber microelectrode withultrahigh sensitivity for the detection of dopamine》公开一种方法，先利用吡咯溶液和氧化石墨烯溶液共混并利用湿法纺丝技术得到聚吡咯氧化石墨烯复合纤维，再将复合纤维在高温下处理得到氮掺杂的石墨烯纤维。再如公开号为CN 107275116A专利公开的，以天然石墨片为原料，按照Hummers改进法制得高浓度氧化石墨烯分散液；将氧化石墨烯分散液与水溶性含氮前驱体充分搅拌混合均匀，注射到圆柱形细长管道中并将两端密封，加热预还原得到氨基功能化石墨烯纤维；打开两端密封，烘干得到脱水氨基功能化石墨烯纤维；然后在连续的气体保护下加热保温，得到氮掺杂有序多孔高导电石墨烯纤维。这些方法制得的产品含氮量高，超级电容器的电化学性能也有所提高，但相应的制备工艺复杂，制备成本也高，并不适合工业化生产，而且氮源会破坏石墨烯纤维的结构，导致石墨烯纤维的强力降低。

湿法纺丝可以实现电极材料的制备，节约时间成本更加便捷高效，更有望于实现大批量工业化生产。本发明根据这一特点，通过化学方法制备氧化石墨烯分散液，并将分散液利用湿法纺丝设备成型，经含氮前驱体涂层和还原后，形成皮层氮掺杂多孔石墨烯纤维电极。该电极材料电化学性能优良，且具有一定的柔性，可以用于织造智能纺织品。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种氮掺杂石墨烯基纤维和超级电容器及其制备方法，以克服现有技术中石墨烯基超级电容器电化学性能不佳等缺陷。

本发明的一种氮掺杂石墨烯基纤维，所述纤维是以石墨烯为芯层，氮掺杂石墨烯为皮层；所述纤维的制备步骤包括：将氧化石墨烯纤维置于吡咯水溶液中，避光静置，加入氧化剂继续避光静置，得到氧化石墨烯/聚吡咯纤维，预氧化，热还原。

本发明的一种氮掺杂石墨烯基纤维的制备方法，包括：