[发明专利]一种掺氮石墨烯与二氧化锰复合电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合电极材料的制备方法，尤其涉及一种掺氮石墨烯与二氧化锰复合电极材料的制备方法；属于纳米材料领域。

背景技术

二氧化锰不仅具有较低的成本、丰富的原材料和较高的理论电容量(1380F/g)，而且是一种无污染的绿色材料，因此，被广大科研者选为理想的电极材料。但是，由于二氧化锰较差的导电性和稳定性，使其储存电荷的容量和使用寿命在实际应用中受到了限制。

为提高二氧化锰的导电性和稳定性，将其与具有优异导电性能和机械性能的石墨烯复合得到了人们的青睐，并且在这方面已进行了大量的研究工作。J.Zhang等人报道了一种二氧化锰纳米片与功能化石墨烯的复合方法，并研究了其电化学性能，发现二氧化锰纳米片与功能化石墨烯复合后，其电化学性能得到明显的改善；当电流密度为1A/g时，电容量达168F/g。但是其制备过程繁琐且耗时，使其在实际应用中受到了限制(J.Phys.Chem.C 2011，115，6448-6454)。S.Chen等人报道了一种针状二氧化锰与氧化石墨烯的复合材料，并对其电化学性能进行了研究，在电流密度为1A/g时，电容量为111.1F/g；然而当电流密度从0.15A/g增加到1A/g时，其电容量仅剩51.4％(ACS Nano 2010，4，2822-2830)。此外，其制备过程也较为复杂。虽然石墨烯具有超强的导电性能，但是通常方法制备的石墨烯并不是纯净的石墨烯，而是在其表面会嫁接一些含氧基团，从而大大降低了它的导电性能。最终，导致所制备的石墨烯与二氧化锰复合材料中的石墨烯不能充分发挥其优良的导电性能。

Choi等人最新研究发现(Nano Lett.2011，11，2472)，掺氮石墨烯的电容量是纯石墨烯的4倍，并具有超长的循环寿命和高的功率密度，同时与柔性基底具有良好的兼容性。目前的主要掺氮方法有CVD(Wei D，Liu Y，Wang Y，Zhang H，Huang L，Yu G，Nano Lett.2009，9，1752)、热处理(Guo B，Liu Q，Chen E，Zhu H，Fang L，GongJ.R，Nano Lett.2010，10，4975)、等离子处理(Wang Y，Shao Y，Matson D.W，Li J，LinY，ACS Nano 2010，4，1790)等，但是其中大部分制备方法都是在高精密设备下完成并且条件苛刻。

尽管已有掺氮石墨烯复合材料的相关报道(Zhang K，Han P，Gu L，Zhang L，Liu Z，Kong Q，Zhang C，Dong S，Zhang Z，Yao J，Xu H，Cui G，Chen L，ACS Appl.Mater.Interfaces 2012，4，658)，但尚未见到二氧化锰与掺氮石墨烯复合电极材料的报道。因此，本领域的技术人员致力于开发一种简单的掺氮石墨烯与二氧化锰复合电极材料的合成方法，该方法将具有重要的科学研究及应用意义。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种简单的低温湿化学方法制备掺氮石墨烯与二氧化锰复合电极材料。该方法制备的复合电极材料用作超电容电极材料时，表现出优异的电容性能和循环寿命。本方法具有设备工艺简单，生产成本低，适于工业化生产和环境友好等特点。

为实现上述目的，本发明提供了一种掺氮石墨烯与二氧化锰复合电极材料的制备方法，采用一步原位水热反应法，其具体步骤为：

步骤一、首先，将石墨烯源、锰源和氮源混合，在水中搅拌均匀之后，装入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，并将反应釜密封；然后，将反应釜放入马弗炉中进行水热反应，反应结束，使其自然冷却至室温；

步骤二、将所得产物用超纯水和无水乙醇依次清洗，直到清洗液透明为止；然后真空干燥得到掺氮石墨烯与二氧化锰复合材料；

在本发明的具体实施方式中，石墨烯源优选为氧化石墨烯；锰源优选为高锰酸钾、硫酸锰、硝酸锰、乙酸锰、草酸锰中的一种或者两种以上的任意比例的混合物；氮源优选为尿素、苯胺、甲酰胺、二乙烯三胺、三聚氰酸、乙二胺中的一种。

在本发明的较佳实施方式中，石墨烯源、锰源和氮源的反应配比重量为2～20∶2～20∶60～80(wt.％)。

在本发明的优选实施方案中，步骤一的反应体系中还加有氢氧化钾、氢氧化钠等无机碱。无机碱的加入量优选为2％～60％(重量)。