[发明专利]一种三维氮掺杂石墨烯/CoOx复合材料的制备方法

摘要

本发明涉及三维氮掺杂石墨烯/CoOx复合纳米材料的制备方法，属于功能材料技术领域。本发明方法的主要过程是以邻苯二甲腈为含氮前驱体、醋酸钴为过渡金属前驱体、以Hummers法制备氧化石墨烯为碳载体，加入表面活性剂，通过溶剂热技术一步原位配位、组装，以及冷冻干燥和焙烧处理，得到具有三维结构的氮掺杂的石墨烯/CoOx复合纳米材料。与现有的技术相比，本发明所制备的三维氮掺杂石墨烯/CoOx复合材料具有颗粒均一没有形成团聚，且表面活性剂除去后留有的介孔，使其有更多的电子传输通道，降低了阻抗，提高了材料电化学性能。

主权项

三维氮掺杂石墨烯/CoOx纳米复合材料的制备方法，其实验步骤如下：A. 制备氧化石墨烯GOa. 称取10g石墨粉和7.5g硝酸钠于2L的圆底烧杯中，机械强力搅拌；缓慢加入300mL浓硫酸，搅拌0.5h后，在2小时的时间范围内，缓慢加入40g高锰酸钾；当磁力搅拌器搅拌至第二天时，烧瓶内混合物变为棕褐色，性状粘稠；再换用机械搅拌，搅拌五天；b. 将1L的去离子水缓慢加入烧杯，由于此过程会放出大量热，因此刚开始稀释时一定要控制速度；稀释后，混合物变为棕褐色液体；边搅拌边缓慢加入60ml 30%的双氧水，中和未反应的高锰酸钾，同时会有大量气泡冒出，此时混合物逐渐由棕褐色变为亮黄色；c.将反应液用10000rpm，10min离心分离，倒去上清液，以去除小分子，反复用去离子水洗涤，直至上层清液中出现棕黄色；改变转速，4000rpm，10min，收集上层棕黄色粘稠液体即得到粗GO，若黄色不明显，取转速为3000rpm，反复用去离子水洗涤离心管底部残留，离心，直到上清液颜色变浅；将收集的粗GO进行细离心，4000rpm，5min收集上层黄色粘稠物质即细GO，除去下层的粗GO中的杂质；将细GO进行浓缩，在6000rpm，10min下离心操作，将上层浅色透明水倒去，收集下层粘稠黄色GO；d.将离心后的GO透析7天以上，以更充分地除去小分子；透析完毕后，收集GO，进行标定；B. 合成三维氮掺杂石墨烯/CoOx的复合材料a.将上述GO配成5mg/mL的乙醇混合液；在混合体系中加入邻苯二甲腈，使GO与邻苯二甲腈的质量比为1:1；再加入醋酸钴，使醋酸钴与邻苯二甲腈的摩尔比为1:4；此时的N和Co的摩尔比为1:4；最后，在体系里加上表面活性剂，使表面活性剂的含量为1mg/ml；加入的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵CTAB或Pluronic F127，F127Mw = 12600, 分子式为EO106PO70EO106；b.将混合物超声2小时，直到各物质混合均匀为止；将超声后的溶液倒入聚四氟乙烯水热釜中，确保密封性以后放入烘箱在180℃的条件下维持24小时，以形成3D钴酞菁/表面活性剂/石墨烯为骨架的复合材料的水凝胶；c.反应后，将水热釜中的乙醇除去，反复用超纯水洗涤，直至乙醇完全除去；将其放入冰箱冷冻，隔夜后放入冷冻干燥机内进行干燥使其保持3D单片体系结构，得到3D钴酞菁/表面活性剂/石墨烯气凝胶；d.将上述得到的3D钴酞菁/表面活性剂/石墨烯气凝胶经行热处理；焙烧过程中，在氮气气氛下以2℃/min的速度升温至600‑800℃，保持2h，在程控升温和自然降温过程中氮气的流量恒定在60ml/min；最终得到三维氮掺杂石墨烯/CoOx复合物材料。