[发明专利]制备氮掺杂石墨烯与硫化镍量子点纳米复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种新能源材料领域的纳米技术，具体是一种制备氮掺杂石墨烯与硫化镍量子点纳米复合材料的方法。

背景技术

纳米复合材料可以集中单独材料的优良性能，基于这一思路的基础上，通过合理设计材料的结构与形貌对于纳米材料的性能和应用具有重要影响，更重要的是纳米材料的均匀分布对于其在能源环境如超级电容器、太阳能电池、光催化等领域有重要意义，因此纳米复合材料的控制和合成愈来愈受到重视。

金属硫化物(Ni、Co、Fe等)因其具有良好的催化和反应性能而引起人们的兴趣。这类材料具有更多样的物理性质，如催化性能、磁性等，这些优异性能的发现与研究使得纳米硫化物具有了更广泛的用途，如可用于光电、催化、超导等领域。硫化镍就是一种金属硫化物，它具有多样的结构特征(花瓣状、棒状、针状球状等)。另外目前关于硫化镍的报道并不多见，其中合成硫化镍的方法主要包括固相法，模板法，无溶剂合成法，均匀成电法，溶剂热法等。但是上述合成方法过程复杂，增加了材料的生产成本，并且所使用的化学药品毒性较大。

石墨烯具有很高的比表面积，优良的导电性，超强的力学性能，是一种超薄二维纳米材料，具有电子流动性强的特点，广泛应用于电子器件、新能源电极材料及催化材料。但是普通的氧化石墨烯的催化和导电性能不是很高，主要原因在于含有大量缺陷和含氧基团，阻碍电子的传输。将石墨烯进行功能化有助于提高其电化学性能，如通过氮掺杂可使其具有优良的电化学性能。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104465127A，公开(公告)日2015.03.25，公开了一种快速制备石墨烯/硫化银量子点纳米复合材料的方法：将氧化石墨烯与AgNO3分散到二甲基亚砜溶液，搅拌后，将溶液转移至高压反应釜中在150‐200℃温度下反应10‐15h。将反应所得产物用丙酮多次冲洗，并用酒精进行超声振荡清洗，离心分离和真空干燥得石墨烯/硫化银量子点纳米复合材料，但该技术使用的反应溶剂为有机溶剂，毒性较大，一旦发生意外危害性也较大。

中国专利文献号CN104818016A，公开(公告)日2015.08.05，公开了一种用于三价金离子检测的新方法。本发明提供了用于三价金离子检测的石墨烯量子点，其制备方法包括如下步骤：以柠檬酸和L‐半胱氨酸为主要原料，通过水热反应合成L‐半胱氨酸功能化的荧光石墨烯量子点。但该技术使用的碳源为柠檬酸，且最终产品为功能化的石墨烯量子点，未能引入第二相组元，未能实现对于材料的复合。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种制备氮掺杂石墨烯与硫化镍量子点纳米复合材料的方法，通过水热原位生长的方法，得到纳米复合材料。方法简单，成本低，这为其在超级电容器、光催化、太阳能电池的应用提供一种有效的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过将镍源、作为硫源的L‐半胱氨酸、作为氮源的NH₃·H₂O和氧化石墨烯溶液依次充分混合后，在水热环境的作用下，实现硫化镍量子点均匀生长到氮掺杂的石墨烯上，得到了氮掺杂石墨烯与硫化镍量子点纳米复合材料。

所述的L‐半胱氨酸，其浓度为2～4mmol；

所述的镍源优选采用六水合硝酸镍等镍盐，其浓度为2～4mmol；

所述的L‐半胱氨酸和镍源摩尔比为0.5～2；

所述的水热反应的温度为160～180℃，反应时间为6～24小时；

本发明涉及上述方法制备得到的氮掺杂石墨烯与硫化镍量子点纳米复合材料，氮掺杂的石墨烯上均匀生长有具有硫化镍量子点，即硫化镍纳米晶颗粒。

所述的硫化镍量子点的直径为10～50nm。

所述的氮掺杂的石墨烯中，含氮量为2～4wt％，厚度为1.9～2.5nm。

本发明涉及上述氮掺杂石墨烯与硫化镍量子点纳米复合材料的应用，可将其用于制备超级电容器、太阳能电池、锂电池储能材料或催化材料。

技术效果

与现有技术相比，本发明的技术效果包括：

1)使用L‐半胱氨酸作为硫源，作为生物体内常见的氨基酸，目前通过发酵法和酶法合成法等已实现工业化量产。采用L‐半胱氨酸为硫源，与传统硫源(硫脲，硫代乙酰胺等)相比，更加环保，对身体无毒无害。

2)被掺杂的石墨烯，其本身催化导电活性也会大大提高，这是由于其在被掺杂的同时，本身也被还原，含氧基团减少。