一种氮掺杂石墨烯电极材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电极材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]当今人类面临能源日渐短缺，环境日益恶化的严重问题，发展清洁的可再生新型能量转化与存储装置迫在眉睫。开发高性能的超级电容器电化学装置，满足未来对于同时具备高的能量密度、高的功率密度和长的循环寿命的要求，近些年来受到广泛的关注。同时，石墨烯是sp2杂化碳原子组成的二维纳米碳材料，由于其优异的导电性、廉价的制备成本、二维结构带来的巨大比表面积以及稳定的物理化学性质，成为制备超级电容器电极的理想材料。但是由于石墨烯本身具有电子结构稳定的六边形结构，表面能低，因此具有较强的疏水性。这种疏水性极大地限制了溶剂离子与电极材料的接触面积，只有很小一部分电极表面可以形成双电层参与储能行为。因此，虽然石墨烯基超级电容器具有良好的功率密度和循环稳定性，但是能量密度较低，这样一来，存储相同的能量，超级电容器在质量和体积方面不占优势，极大地限制了其实际的应用。
[0003]目前，石墨烯电极材料的改性方法主要有两种，一种是通过改变石墨烯制备条件或对石墨稀进彳丁后期处理改变石墨稀的表面结构，引入表面缺陷，提尚表面能，从而提尚其比电容值，但这种方法变量多，不易控制且改善效果有限；还有一种是在石墨烯表面合成金属氧化物，制备复合电极材料，引入赝电容。电极材料的比电容值确实大幅提高，但是由于金属氧化物氧化还原反应不完全可逆，且其本身的稳定性是电极材料的工作电压和循环稳定性都大幅度降低。因此，我们在这里引入一种元素掺杂的电极制备方法，在石墨烯生长完成后直接有氮等离子体轰击，氮原子与碳原子大小相近，因此氮原子可以取代晶格中的碳原子并与周围的原子成键，改变了石墨烯的电子结构，氮掺杂石墨烯的比电容值提高了约40%，且循环稳定性良好。
【发明内容】
[0004]本发明要解决现有石墨烯电极材料难以在保证循环稳定性的条件下大幅提高比电容值的问题，而提供一种氮掺杂石墨烯电极材料的制备方法。
[0005]—种氮掺杂石墨烯电极材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的:
[0006]—、制备表面生长石墨烯的集电极材料:利用等离子体增强化学气相沉积真空装置或者化学气相沉积装置在集电极材料上生长石墨烯，得到表面生长石墨烯的集电极材料；
[0007]二、将表面生长石墨烯的集电极材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5Pa以下，通入氮气，调节氮气气体流量为5sccm?50sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为lOOPa?lOOOPa，并在压强为100Pa?1000Pa和氮气气氛下，在20min?30min内将温度升温至300 °C?800 °C ；
[0008]三、调节氮气气体流量为5sccm?lOOsccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa?500Pa，然后在射频功率为50W?200W、压强为200Pa?500Pa和温度为300°C?800°C的条件下进行轰击，轰击时间为Imin?30min ；
[0009]四、轰击结束后，在氮气气氛下，从温度为300°C?800°C自然冷却至室温，得到氮掺杂石墨烯电极材料。
[0010]本发明的有益效果是:
[0011]1、利用等离子体增强化学气相设备，将氮气离化后轰击石墨烯原材料，过程简单，成本低。
[0012]2、本发明所制备的氮原子掺杂石墨烯电极材料具有独特的表面结构，氮原子与碳原子反应形成C-N键，在石墨烯片边缘或内部形成五元环等结构，氮原子具有更大的电子亲和能，且改变了石墨稀本身的电子浓度分布，提高石墨稀的电学性能，同时在石墨稀表面引入缺陷。
[0013]3、本发明的方法简单，高效，便于工业化生产，改性后的石墨烯电极材料在储能材料、气体吸附材料等领域有广阔的应用前景。
[0014]本发明用于一种氮掺杂石墨烯电极材料的制备方法。
【附图说明】
[0015]图1为实施例一制备的氮掺杂石墨烯电极材料的扫描电镜图；
[0016]图2为实施例一制备的氮掺杂石墨烯电极材料的XPS能谱图。
【具体实施方式】
[0017]本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之间的任意组合。
[0018]【具体实施方式】一:本实施方式所述的一种氮掺杂石墨烯电极材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的:
[0019]—、制备表面生长石墨烯的集电极材料:利用等离子体增强化学气相沉积真空装置或者化学气相沉积装置在集电极材料上生长石墨烯，得到表面生长石墨烯的集电极材料；
[0020]二、将表面生长石墨烯的集电极材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5Pa以下，通入氮气，调节氮气气体流量为5sccm?50sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为10Pa?lOOOPa，并在压强为10Pa?100Pa和氮气气氛下，在20min?30min内将温度升温至300 °C?800 °C ；
[0021]三、调节氮气气体流量为5sccm?lOOsccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa?500Pa，然后在射频功率为50W?200W、压强为200Pa?500Pa和温度为300°C?800°C的条件下进行轰击，轰击时间为Imin?30min ；
[0022]四、轰击结束后，在氮气气氛下，从温度为300°C?800°C自然冷却至室温，得到氮掺杂石墨烯电极材料。
[0023]本实施方式的有益效果是:
[0024]1、利用等离子体增强化学气相设备，将氮气离化后轰击石墨烯原材料，过程简单，成本低。
[0025]2、本实施方式所制备的氮原子掺杂石墨烯电极材料具有独特的表面结构，氮原子与碳原子反应形成C-N键，在石墨烯片边缘或内部形成五元环等结构，氮原子具有更大的电子亲和能，且改变了石墨稀本身的电子浓度分布，提高石墨稀的电学性能，同时在石墨稀表面引入缺陷。
[0026]3、本实施方式的方法简单，高效，便于工业化生产，改性后的石墨烯电极材料在储能材料、气体吸附材料等领域有广阔的应用前景。
[0027]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中利用等离子体增强化学气相沉积真空装置在集电极材料上制备石墨烯，具体是按以下步骤进行的:将集电极材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5Pa以下，通入氢气，调节氢气气体流量为lOsccm?50sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为150Pa?350Pa，并在压强为150Pa?350Pa和氢气气氛下，在20min?60min内将温度升温至500°C?800°C ;停止通入氢气，通入氩气和甲烷气体，调节甲烷的气体流量为5sccm?50sccm，调节氩气的气体流量为50sccm?lOOsccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa?lOOOPa，然后在射频功率为100W?200W、压强为200Pa?lOOOPa和温度为500°C?800°C的条件下进行沉积，沉积时间为5min?60min。其它与【具体实施方式】一相同。
[0028]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二之一不同的是:步骤一中利用化学气相沉积装置在集电极材料上制备石墨烯，具体是按以下步骤进行的:将集电极材料置于化学气相沉积装置中，抽真空后通入氢气和氩气，调节氢气气体流量为lOsccm?50sccm，调节氩气气体流量为50sccm?500sccm，调节化学气相沉积装置中压强为105Pa，然后将温度升至900°C?1050°C，在压强为105Pa和温度为900°C?1050°C下保温lOmin?30min ;通入甲烧，调节甲烧气体流量为5sccm?50sccm，调节氢气气体流量为50sccm?lOOsccm，调节氩气气体流量为800sccm?lOOOsccm，在压强为105Pa及温度为900 °C?1050°C的条件下进行沉积，沉积时间为5min?35min，沉积结束后，关闭加热电源，停止通入甲烧和氩气，在氢气气氛下，冷却至室温。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0029]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:步骤一中所述的集电极材料为金属镍或泡沫镍。其它与【具体实施方式】一至三相同。
[0030]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是:步骤二中通入氮气，调节氮气气体流量为15sccm。其它与【具体实施方式】一至四相同。
[0031]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:步骤二中通入氮气，调节氮气气体流量为50sccm。其它与【具体实施方式】一至五相同。
[0032]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一至六之一不同的是:步骤三中然后在