CN109360740A - 一种二维氮掺杂多孔碳纳米片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新型柔性电极材料领域，具体涉及一种二维氮掺杂多孔碳纳米片及其制备方法，包括如下步骤：(1)碳纳米片的制备：将碳材料在惰性气体保护下进行一次煅烧，降温，制得碳纳米片；(2)多孔碳纳米片的制备：将碳纳米片加入氧化酸性溶液中经过氧化反应制得多孔碳纳米片；(3)二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备：将多孔碳纳米片和表面活性剂加入水中，分散均匀，加入氮掺杂材料，溶解，混合均匀，干燥后研磨得混合物粉末，然后将混合物粉末在惰性气体保护下进行二次煅烧，降温，制得二维氮掺杂多孔碳纳米片，本发明制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片具有均匀多孔，优良的储能性能和循环稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及新型柔性电极材料领域，具体涉及一种二维氮掺杂多孔碳纳米片及其制备方法。
背景技术
随着可穿戴和便携式电子设备的快速发展，各式各样的柔性电子产品相继问世。柔性可穿戴能量存储设备，特别是超级电容器这类器件具有众多的储能优势，具有比静电电容高得多的功率密度，不仅适合于短时间内的功率输出，而且还具有比功率高、比能量大、一次储能多等特点。此外，超级电容器还具有内阻小，充放电效率高、循环寿命长、无污染的独特优点，将其与其他元器件组成联合体共同工作，是实现能量回收利用、降低污染的有效途径。因此超级电容器是未来能源发展的重要方向之一。
近年来，碳纳米管、石墨烯材料和碳材料已被广泛应用于超级电容器的构建，但是也存在成本高、制备工艺复杂、力学性能差、离子吸附能力低的缺陷，而常规的碳材料的“点接触”的电子传递模式及较为单一的孔径分布严重影响了其电子和离子的传输，从而限制了其容量的发挥及倍率性能。二维氮掺杂分级孔碳纳米片能够很好地解决如上问题，其二维取向结构有利于构建三维“面接触”的电子传输网络，极大的提高了电极的导电性。
目前，二维氮掺杂分级孔碳纳米片通常采用模板法制备，而且一般需要多种模板的协同作用下合成，然而使用上述模板法制备普遍存在工艺流程复杂，耗能耗时，不利于规模化生产的缺点。为此，中国专利文献CN106025239A一种二维氮掺杂分级孔碳纳米片的制备方法，包括以下步骤：将含氮的金属有机骨架在气体氛围下于碳化温度910～2000℃进行碳化，降温，得到二维氮掺杂分级孔碳纳米片；其中，含氮的金属有机骨架中的金属离子为锌离子，虽然该种方法无需模板即可制得二维多孔氮掺杂碳纳米片，然而由于碳纳米片的制备与氮的掺杂同步进行使得氮元素影响碳纳米材料本身的结构对称性和稳定性，而且采用高温水蒸气致孔的方法易导致碳纳米片表面形成的介孔不均匀，使形成的二维多孔氮掺杂碳纳米片易于发生团聚，电容循环稳定性较低，限制其推广应用。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中因碳纳米片形成的介孔不均匀，易团聚，电容循环稳定性差的缺陷，从而提供一种二维氮掺杂多孔碳纳米片及其制备方法。
本发明提供了一种二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备方法，包括如下步骤：
碳纳米片的制备：将碳材料在惰性气体保护下进行一次煅烧，降温，制得碳纳米片；
多孔碳纳米片的制备：将碳纳米片加入氧化酸性溶液中经过氧化反应制得多孔碳纳米片；
二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备：将多孔碳纳米片和表面活性剂加入水中，分散均匀，加入氮掺杂材料，溶解，混合均匀，干燥后研磨得混合物粉末，然后将混合物粉末在惰性气体保护下进行二次煅烧，降温，制得二维氮掺杂多孔碳纳米片。
进一步地，所述氧化酸性溶液为体积比为(0.5-2)：(0.5-2)：(0.5-2)的硫酸、硝酸和双氧水的混合物。
优选地，所述硫酸、硝酸和双氧水的体积比为1:1:1。
进一步地，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠和十二烷基磺酸钠中的一种或至少两种的混合物。
优选地，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。
进一步地，所述碳材料为柠檬酸钾或柠檬酸钠，碳材料与氧化酸性溶液的用量比为8-12g：450-550ml。
优选地，所述氮掺杂材料为尿素或三聚氰胺，多孔碳纳米材料、表面活性剂与氮掺杂材料的质量比为(2：1：450)-(1：2：550)。
进一步地，一次煅烧过程中，以1-3℃/min的升温速率缓慢升温至800-900℃，保温1-3h；
二次煅烧过程中，先以0.5-1.5℃/min的升温速率缓慢升温至500-600℃，保温1-3h；然后以0.5-1.5℃/min的升温速率缓慢升温至800-900℃，保温1-3h。
本发明还提供了一种所述的制备方法制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片。
本发明还提供了所述的制备方法制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片或所述的二维氮掺杂多孔碳纳米片的应用，所述二维氮掺杂多孔碳纳米片作为超级电容器的的电极材料。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备方法，由于一次高温煅烧在气体分解速率上难以控制，使得碳材料表面形成的气孔不规则，且碳材料会发生严重的团聚效应，不易形成二维碳纳米片结构，从而最终使得氮元素难以掺杂到碳纳米片表面，影响氮元素掺杂的效率，而本发明通过采用分两次对碳材料和混有氮材料的多孔碳纳米片分别进行煅烧制备得到二维氮掺杂多孔碳纳米片，首先在惰性气体保护下将碳材料经过第一次煅烧制得碳纳米片，然后通过氧化酸性溶液在碳纳米片表面形成均匀多孔，再将多孔碳纳米片与氮掺杂材料混合后进行第二次煅烧，最终制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片，可明显提高氮元素的掺杂质量，提高碳材料的导电性，提高气孔的均匀性，改善团聚效应，形成二维碳纳米片结构；而且本发明创新性地采用酸化-湿法在碳纳米片表面形成多孔，相比于传统的利用尿素、硫脲或者其他试剂高温下产生气体或者水蒸气对碳纳米片表面致孔的方法来说，通过氧化酸性溶液致孔不仅提高了致孔的均匀性，而且能够去除碳纳米片表面杂质，提高产品的纯度，同时，氮掺杂过程中采用表面活性剂促进多孔碳纳米片分散均匀，分散度得到了有效改善，使得稳定性良好，明显改善团聚情况，使得本发明制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片不仅微观形貌均匀，具有明显的多孔特征，而且介孔分布均匀，具有优良的储能性能和循环稳定性，制备过程中也无需任何模板辅助，无毒害气体释放，原料易得，成本低，易合成。
2.本发明提供的二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备方法，通过研究大量表面活性剂，优选十二烷基苯磺酸钠加入多孔碳纳米片的水分散***中，并控制多孔碳纳米材料、表面活性剂与氮掺杂材料的质量比为2：1：450-1：2：550，能够明显改善多孔碳纳米片分散均匀性，提高其分散度，改善产品团聚。
3.本发明提供的二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备方法，在多孔碳纳米片制备中，采用硫酸、硝酸和双氧水的混合溶液，并控制碳材料的质量与氧化酸性溶液的体积比为8-12g：450-550ml，能够很好地发挥硫酸、硝酸和双氧水的混合溶液极强的氧化性和酸性，不仅提高多孔碳纳米片的致孔效率，而且能够几乎全部去除碳纳米片表面的杂质，进一步提高产品的纯度，改善产品团聚。
4.本发明提供的二维氮掺杂多孔碳纳米片，具有与石墨烯结构相似的二维层状结构，且与石墨烯的物理化学性质相近，因此在石墨烯价格高昂的大环境下，可以将本发明的氮掺杂多孔碳纳米片作为石墨烯的替代品，应用到储能器件领域，超级电容器电极材料只是本发明专利应用的众多领域之一，将其作为柔性超级电容器电极材料，在不损害超级电容器性能的前提下，可以极大地降低成本，具有良好的市场应用前景和价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片的Raman图；
图2为实施例1制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片的TEM图；
图3为实施例1制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片作为超级电容器的电极材料时，在不同扫描速率下得到的CV曲线；
图4为实施例1制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片制备的电极材料在超级电器中的循环性能图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
(1)称取柠檬酸钾10g装入到刚玉坩埚中，将刚玉坩埚放入到管式炉中,在惰性气体保护下煅烧，以2℃/min的升温速率升温至850℃，保温1h，之后自然冷却至室温，用玛瑙研磨收集样品，得碳纳米片；
(2)将步骤(1)制得的碳纳米材料加入500ml氧化酸性溶液中氧化反应，氧化酸性溶液由硫酸、硝酸和双氧水按体积比为1:1:1配置而成，反应完毕后洗涤，用去离子水和乙醇各洗涤离心两次，并在60℃真空干燥箱中干燥12h，得多孔碳纳米片；
(3)称取10mg步骤(2)制得的多孔碳纳米材料和10mg的十二烷基苯磺酸钠加入200ml的去离子水中，持续磁力搅拌6h，再用大功率超声仪超声12h，以使多孔碳纳米片分散均匀，加入5g尿素，用磁力搅拌机高速搅拌30min，以使尿素充分溶解，随后在磁力搅拌机持续搅拌的条件下，在80℃的温度下水浴烘干，收集烘干后的样品，并用玛瑙研钵研磨30min，得混合物粉末；
(4)将步骤(3)制得的混合物粉末装入到刚玉坩埚中，在惰性气体保护下煅烧，1℃/min的升温速率，缓慢升温至550℃，并保温2h，然后再在相同的升温速率下升温至900℃，继续保温2h，自然冷却后将产品收集，得二维氮掺杂多孔碳纳米片。
图1为实施例1制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片的Raman图，图2为实施例1制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片的TEM图。如图1所示，二维氮掺杂多孔碳纳米片微观形貌均匀，具有超薄结构，且氮掺杂的多孔碳纳米片表面具有明显的多孔特征，且分布较为均匀。如图2所示，在1358cm-1(D峰)和1581cm-1(G峰)有两个明显的碳的特征峰，且D峰形状尖锐，说明氮元素已经掺杂到碳纳米片内部。
实施例2
(1)称取柠檬酸钾12g装入到刚玉坩埚中，将刚玉坩埚放入到管式炉中,在惰性气体保护下煅烧，以2℃/min的升温速率升温至850℃，保温1h，之后自然冷却至室温，用玛瑙研磨收集样品，得碳纳米片；
(2)将步骤(1)制得的的碳纳米材料加入450ml氧化酸性溶液中氧化反应，氧化酸性溶液由硫酸、硝酸和双氧水按体积比为2:0.5:2配置而成，反应完毕后洗涤，用去离子水和乙醇各洗涤离心两次，并在60℃真空干燥箱中干燥12h，得多孔碳纳米片；
(3)称取20mg步骤(2)制得的多孔碳纳米材料和10mg的十二烷基苯磺酸钠加入200ml的去离子水中，持续磁力搅拌7h，再用大功率超声仪超声14h，以使多孔碳纳米片分散均匀，加入5g尿素，用磁力搅拌机高速搅拌30min，以使尿素充分溶解，随后在磁力搅拌机持续搅拌的条件下，在80℃的温度下水浴烘干，收集烘干后的样品，并用玛瑙研钵研磨30min，得混合物粉末；
(4)将步骤(3)制得的混合物粉末装入到刚玉坩埚中，在惰性气体保护下煅烧，1.5℃/min的升温速率，缓慢升温至500℃，并保温3h，然后再在相同的升温速率下升温至800℃，继续保温3h，自然冷却后将样品收集，得二维氮掺杂多孔碳纳米片。
实施例3
(1)称取柠檬酸钾8g装入到刚玉坩埚中，将刚玉坩埚放入到管式炉中,在惰性气体保护下煅烧，以2℃/min的升温速率升温至850℃，保温1h，之后自然冷却至室温，用玛瑙研磨收集样品，得碳纳米片；
(2)将步骤(1)制得的的碳纳米材料加入550ml氧化酸性溶液中氧化反应，氧化酸性溶液由硫酸、硝酸和双氧水按体积比为1:1:1配置而成，反应完毕后洗涤，用去离子水和乙醇各洗涤离心两次，并在60℃真空干燥箱中干燥12h，得多孔碳纳米片；
(3)称取10mg步骤(2)制得的多孔碳纳米材料和20mg的十二烷基苯磺酸钠加入200ml的去离子水中，持续磁力搅拌5h，再用大功率超声仪超声10h，以使多孔碳纳米片分散均匀，加入5g尿素，用磁力搅拌机高速搅拌30min，以使尿素充分溶解，随后在磁力搅拌机持续搅拌的条件下，在80℃的温度下水浴烘干，收集烘干后的样品，并用玛瑙研钵研磨30min，得混合物粉末；
(4)将步骤(3)制得的混合物粉末装入到刚玉坩埚中，在惰性气体保护下煅烧，0.5℃/min的升温速率，缓慢升温至600℃，并保温2h，然后再在相同的升温速率下升温至800℃，继续保温1h，自然冷却后将样品收集，得二维氮掺杂多孔碳纳米片。
实施例4
(1)称取柠檬酸钾10g装入到刚玉坩埚中，将刚玉坩埚放入到管式炉中,在惰性气体保护下煅烧，以2℃/min的升温速率升温至850℃，保温1h，之后自然冷却至室温，用玛瑙研磨收集样品，得碳纳米片；
(2)将步骤(1)制得的的碳纳米材料加入500ml氧化酸性溶液中氧化反应，氧化酸性溶液由硫酸、硝酸和双氧水按体积比为0.5:2:0.5配置而成，反应完毕后洗涤，用去离子水和乙醇各洗涤离心两次，并在60℃真空干燥箱中干燥12h，得多孔碳纳米片；
(3)称取10mg步骤(2)制得的多孔碳纳米材料和10mg的十二烷基磺酸钠入200ml的去离子水中，持续磁力搅拌6h，再用大功率超声仪超声12h，以使多孔碳纳米片分散均匀，加入5g尿素，用磁力搅拌机高速搅拌30min，以使尿素充分溶解，随后在磁力搅拌机持续搅拌的条件下，在80℃的温度下水浴烘干，收集烘干后的样品，并用玛瑙研钵研磨30min，得混合物粉末；
(4)将步骤(3)制得的混合物粉末装入到刚玉坩埚中，在惰性气体保护下煅烧，1℃/min的升温速率，缓慢升温至550℃，并保温2h，然后再在相同的升温速率下升温至900℃，继续保温2h，自然冷却后将样品收集，得二维氮掺杂多孔碳纳米片。
实施例5
(1)称取柠檬酸钾10g装入到刚玉坩埚中，将刚玉坩埚放入到管式炉中,在惰性气体保护下煅烧，以2℃/min的升温速率升温至850℃，保温1h，之后自然冷却至室温，用玛瑙研磨收集样品，得碳纳米片；
(2)将步骤(1)制得的的碳纳米材料加入450ml氧化酸性溶液中氧化反应，氧化酸性溶液由硫酸、硝酸和双氧水按体积比为1:1:1配置而成，反应完毕后洗涤，用去离子水和乙醇各洗涤离心两次，并在60℃真空干燥箱中干燥12h，得多孔碳纳米片；
(3)称取10mg步骤(2)制得的多孔碳纳米材料和10mg的十二烷基硫酸钠加入200ml的去离子水中，持续磁力搅拌6h，再用大功率超声仪超声12h，以使多孔碳纳米片分散均匀，加入5g尿素，用磁力搅拌机高速搅拌30min，以使尿素充分溶解，随后在磁力搅拌机持续搅拌的条件下，在80℃的温度下水浴烘干，收集烘干后的样品，并用玛瑙研钵研磨30min，得混合物粉末；
(4)将步骤(3)制得的混合物粉末装入到刚玉坩埚中，在惰性气体保护下煅烧，1℃/min的升温速率，缓慢升温至550℃，并保温2h，然后再在相同的升温速率下升温至900℃，继续保温2h，自然冷却后将样品收集，得二维氮掺杂多孔碳纳米片。
实施例6
(1)称取柠檬酸钾10g装入到刚玉坩埚中，将刚玉坩埚放入到管式炉中,在惰性气体保护下煅烧，以2℃/min的升温速率升温至850℃，保温1h，之后自然冷却至室温，用玛瑙研磨收集样品，得碳纳米片；
(2)将步骤(1)制得的的碳纳米材料加入500ml氧化酸性溶液中氧化反应，氧化酸性溶液由硫酸和硝酸按体积比为1:1:1配置而成，反应完毕后洗涤，用去离子水和乙醇各洗涤离心两次，并在60℃真空干燥箱中干燥12h，得多孔碳纳米片；
(3)称取10mg步骤(2)制得的多孔碳纳米材料和10mg的十二烷基苯磺酸钠加入200ml的去离子水中，持续磁力搅拌6h，再用大功率超声仪超声12h，以使多孔碳纳米片分散均匀，加入5g尿素，用磁力搅拌机高速搅拌30min，以使尿素充分溶解，随后在磁力搅拌机持续搅拌的条件下，在80℃的温度下水浴烘干，收集烘干后的样品，并用玛瑙研钵研磨30min，得混合物粉末；
(4)将步骤(3)制得的混合物粉末装入到刚玉坩埚中，在惰性气体保护下煅烧，1℃/min的升温速率，缓慢升温至550℃，并保温2h，然后再在相同的升温速率下升温至900℃，继续保温2h，自然冷却后将样品收集，得二维氮掺杂多孔碳纳米片。
实验例
采用实施例1制备的二维氮掺杂分级孔碳纳米片制备超级电容器并检测电学性能，具体方法如下：称量10mg二维氮掺杂分级孔碳纳米片置于50ml的烧杯中，加入70mg炭黑、20mg粘结剂和少量N-甲基吡咯烷酮，混合均匀，用膜将烧杯封口，然后超声10min左右，分散均匀，撕掉封口膜，在80℃下烘干20分钟，制得电极材料，将电极材料放在铜片上，滴加少量乙醇，折叠为块状(橡皮泥软度)，用最高档的压面机滚压压片，叠加五层铜片，压成薄片，将薄片转移到滤纸上，用打孔器打孔制成小圆片，将小圆片放入真空干燥箱100℃下烘干12个小时，取出小圆片，立即称量，编号记录；将小圆片置于泡沫镍圆片上，镍片长条覆盖作为引线(极耳)，上面再覆盖一层小圆片，手压使其成三明治结构，然后滚压压片，制得电极片；将电极片浸泡在电解液中，真空浸泡12个小时，使电解液充分与电极材料接触，然后挤走气泡；在三电极体系中测量各种电化学性能，其中红色夹对电极，绿色工作电极，黄色参比电极。
电化学性能测定结果如图3和4所示，实施例1制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片作为超级电容器的电极材料时，当在测试电压范围为-0.2V-0.8V，扫描速率为10mV/s到100mV/s的CV循环测试中，CV曲线具有良好的矩形对成性，且氮掺杂的多孔碳纳米片表现出优良的储能性能，在10mV/s的扫描速率下，比容量达到了180F/g，说明本发明的氮掺杂的多孔碳纳米片作为超级电容器的电极材料具有良好的电化学性能，同时本发明的氮掺杂多孔碳纳米片具有优异的循环性能，将其在1A/g的电流密度下，循环2100次后依然保持有92％初始容量。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
碳纳米片的制备：将碳材料在惰性气体保护下进行一次煅烧，降温，制得碳纳米片；
多孔碳纳米片的制备：将碳纳米片加入氧化酸性溶液中经过氧化反应制得多孔碳纳米片；
二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备：将多孔碳纳米片和表面活性剂加入水中，分散均匀，加入氮掺杂材料，溶解，混合均匀，干燥后研磨得混合物粉末，然后将混合物粉末在惰性气体保护下进行二次煅烧，降温，制得二维氮掺杂多孔碳纳米片。
2.根据权利要求1所述的二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：所述氧化酸性溶液为体积比为(0.5-2)：(0.5-2)：(0.5-2)的硫酸、硝酸和双氧水的混合物。
3.根据权利要求2所述的二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：所述硫酸、硝酸和双氧水的体积比为1:1:1。
4.根据权利要求1-3中任一所述的二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠和十二烷基磺酸钠中的一种或至少两种的混合物。
5.根据权利要求4所述的二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。
6.根据权利要求1-5中任一所述的二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：所述碳材料为柠檬酸钾或柠檬酸钠，碳材料与氧化酸性溶液的用量比为8-12g：450-550ml。
7.根据权利要求1-6中任一所述的二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：所述氮掺杂材料为尿素或三聚氰胺，多孔碳纳米材料、表面活性剂与氮掺杂材料的质量比为(2：1：450)-(1：2：550)。
8.根据权利要求1-7中任一所述的二维氮掺杂多孔碳纳米片的制备方法，
一次煅烧过程中，以1-3℃/min的升温速率缓慢升温至800-900℃，保温1-3h；
二次煅烧过程中，先以0.5-1.5℃/min的升温速率缓慢升温至500-600℃，保温1-3h；然后以0.5-1.5℃/min的升温速率缓慢升温至800-900℃，保温1-3h。
9.一种权利要求1-8中任一所述的制备方法制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片。
10.权利要求1-8中任一所述的制备方法制得的二维氮掺杂多孔碳纳米片或权利要求9所述的二维氮掺杂多孔碳纳米片的应用，其特征在于，所述二维氮掺杂多孔碳纳米片作为超级电容器的电极材料。
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