[发明专利]氮掺杂石墨烯/铁酸锌/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/铁酸锌/聚苯胺纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯作为新型碳材料中的一种，由于其独特的结构及优异的光电性能，已经开始被运用到超级电容器，锂离子电池等储能器件领域。然而大部分石墨烯都源于化学法制备，此方法获得石墨烯表面存在缺陷，且容易堆积，限制了石墨烯的应用。铁酸锌作为金属氧化物中的一种，有着较高的理论比电容，且其对环境无害，被认为是最有前景的电极材料之一。导电高分子聚苯胺由于其较高的理论比电容及优异的电性能，也被认为是最有应用前景的导电聚合物之一，在超级电容器、化学电源、抗静电、电致变色、电磁屏蔽和生物与化学传感器等方面具有广阔的应用前景。然而二者都有着循环寿命差的缺陷，最终导致其电化学性能降低。

对石墨烯本身的修饰目前成为研究热点，其中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。

目前，为了改变单独电极材电化学性能差的缺陷，多元复合电极材料成为研究的热点。将这三者复合在一起，充分发挥各自的优势，从而提高复合材料的电化学性能，并且氮掺杂石墨烯/铁酸锌/聚苯胺纳米复合材料还未见报道

发明内容

本发明的目的在于提供一种合成工艺简单，成本低廉的化学原位聚合法制备氮掺杂石墨烯/铁酸锌/聚苯胺纳米复合材料的制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种氮掺杂石墨烯/铁酸锌/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，铁酸锌及聚苯胺组成，其中，氮掺杂石墨烯、铁酸锌及聚苯胺三者的质量比为1:1:1～1:10:5.5，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/铁酸锌/聚苯胺纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步：将氧化石墨在混合溶剂中进行超声分散得到分散均匀的氧化石墨烯溶液；

第二步：将称量好的的硝酸铁和硝酸锌加入到上述溶液中，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水热釜中，在120～200℃下进行水热反应；

第五步：将所得到的产物进行离心分离，并多次用去离子水洗涤，得到氮掺杂石墨烯/铁酸锌纳米复合材料，并将其重新分散在混合溶剂中；

第六步：在冰浴条件下，将苯胺单体加入到上述分散好的溶液中，并持续搅拌苯胺单体与氮掺杂石墨烯/铁酸锌充分混合；

第七步：将掺杂酸和引发剂加入到上述混匀的混合液中，于冰浴条件下反应一段时间；

第八步：将所得到的产物离心分离，洗涤，干燥后得到氮掺杂石墨烯/铁酸锌/聚苯胺纳米复合材料。

步骤一中所述的混合溶剂为无水乙醇与去离子水体积比为1:1，超声分散时间为2～4h。

步骤二中所述的氧化石墨与铁酸锌的质量比为1:1～1:10，硝酸铁和硝酸锌的摩尔比为2:1，搅拌分散时间为10～60min。

步骤三中所述的搅拌时间为30～90min。

步骤四中所述的反应时间为12～20h。

步骤五中所述的超声分散时间为2～4h。

步骤六中所述的氮掺杂石墨烯/铁酸锌与苯胺的质量比为2:1，搅拌时间为1～2h。

步骤七中所述的掺杂酸为盐酸或硫酸，引发剂为过硫酸铵或者氯化铁，苯胺与掺杂酸与引发剂的摩尔比为1:1:1，冰浴反应时间为12～20h。