[发明专利]氮掺杂石墨烯/铁酸镍/聚苯胺纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备领域，具体是涉及一种氮掺杂石墨烯/铁酸镍/聚苯胺纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

随着能源问题的严峻，储能器件的需求量急剧增加。超级电容器作为储能器件中的一种，也引起了广泛的关注。超级电容器最重要的成分是具有大比电容和较好机械伸展性的电极材料，目前，作为超级电容器的电极材料主要有碳材料、混合金属氧化物和导电聚合物等。石墨烯作为新型碳材料，具有双电层电容，且比表面积大，尽管碳材料有着高的比表面积，但是较低的电容性限制了石墨烯在超级电容中的应用；而具有高比电容的金属氧化物和导电聚合物作为电极材料进行储能就是依靠发生氧化还原反应产生的法拉第赝电容来实现的，但是金属氧化物价格高、比表面积小，导电聚合物又存在着循环稳定性不高的弊端，所以单独的一类电极材料很难使超级电容器的储能性能达到最好的效果。

Klaus Müllen等人通过水热法在石墨烯的表面同时掺杂了氮、硼（Three-Dimensional Nitrogen and Boron Co-doped Graphene for High-Performance All-Solid-State Supercapacitors.Advanced Materials2012,24(37):5130-5135.）；中国专利（CN103274393A、CN102760866A、CN103359708A、CN103359711A及CN102167310A等）通过不同的化学方法引入了氮源，制备了氮掺杂石墨烯，其中很多制备方法面临着生产成本高、反应所需设备复杂、反应条件苛刻、产量低等问题；虽然获得的氮掺杂石墨烯与石墨烯相比，提高了其导电性能，但是如将其作为超级电容器的电极材料，其电化学性能（如比电容）远远无法满足实际应用的要求。

铁酸镍是铁酸盐金属氧化物中的一种，因其独特的性能，也被广泛关注，但单独的铁酸镍也存在着相应的缺陷，为了改善其性能，与碳材料的复合也成为了研究热点（Synthesis of graphene-NiFe2O4nanocomposites and their electrochemical capacitive behavior,Journal of Materials Chemistry A,2013,6393-6399.），但是所制备的电极材料无法满足现实储能器件的要求。具有赝电容的聚苯胺有着较高的比电容，但其循环寿命较差，因此单独的一种电极材料无法满足高性能超级电容器的需求，于是将其与碳材料制备多元复合电极材料成为研究的热点，于是多元复合材料的研究成为了研究重点（Reduced-graphene oxide/molybdenum oxide/polyaniline ternary composite for highenergy density supercapacitors:Synthesis and properties.Journal of Materials Chemistry,2012.22(17):8314-8320.A nanostructured graphene/polyaniline hybrid material for supercapacitors.Nanoscale,2010.2(10):2164-2170.），但是目前所制备的二元或者三元复合材料的电化学性能仍有待提高。

目前，氮掺杂石墨烯/铁酸镍/聚苯胺纳米复合材料还未被报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过简单的化学原位聚合的方法制备氮掺杂石墨烯/铁酸镍/聚苯胺纳米复合材料。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种氮掺杂石墨烯/铁酸镍/聚苯胺纳米复合材料，所述复合材料由基体材料氮掺杂石墨烯，铁酸镍及聚苯胺组成，其中，氮掺杂石墨烯、铁酸镍及聚苯胺三者的质量比为1:1:1～1:10:22，所述的基体材料氮掺杂石墨烯中氮元素的含量为1～2%。

一种氮掺杂石墨烯/铁酸镍/聚苯胺纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

第一步：将称取的氧化石墨在水中进行超声分散，得到分散均匀的氧化石墨烯溶液；

第二步：将硝酸铁和硝酸镍加入到上述分散均匀的溶液中，并搅拌致其完全溶解；

第三步：将尿素加入到第三步所得到混合体系中，再次搅拌，使其分散均匀，其中，尿素与氧化石墨的质量比为100:1～200:1；

第四步：将上述混合均匀的混合溶液转移至三口烧瓶中，在100～200℃下进行油浴反应；