[发明专利]氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极、其应用及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极、其应用及其制备方法，以生长在碳布上的二维Co‑MOF作为模板，通过高温热裂解制备出多孔碳纳米片阵列，采用碱催化水相分子融合法制备高浓度氮掺杂石墨烯量子点，通过电沉积将N‑GQDs负载到Co‑MOF衍生的多孔碳纳米片阵列上，构筑氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合电极，形成自支撑结构，主要由碳元素组成，是绿色、无毒且环境友好的电极材料。本粉末方法过程简单，所制备的N‑GQD/CNS/CC复合电极具有高电容性能，本发明方法制备的N‑GQD/CNS/CC电极在新能源纳米器件技术领域展示出诱人的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种碳复合材料电极、其应用及其制备方法，特别是涉及一种氮掺杂二维多孔碳复合材料电极、其应用及其制备方法，应用于碳复合材料电极、器件技术领域。

背景技术

金属有机框架材料(MOFs)具备优异的孔隙率，极大的比表面积，高热稳定性、孔径可调等特点，在催化，储氢，气体吸附，药物传递和能量储能领域都得到了广泛的应用。然而，由于MOFs较差的导电性能限制了其在实际中的应用。近几年来，研究者们以MOFs作为模板，通过热裂解反应得到衍生的MOFs纯碳材料，该类材料保持了原有MOFs的基本骨架，具有高比表面积和孔道结构，同时大幅度提升材料的导电性，使其作为高双电层电容性能的碳基骨架应用于能量存储器件。

石墨烯量子点(Graphene quantum dot,GQDs)是准零维的纳米材料，具有许多独特的性质，在光电器件、生物医疗、传感器等领域都有着应用前景。石墨烯量子点具有小尺寸组装优势、高比表面积、高导电性、高的化学稳定性、丰富的官能团、优良的溶剂分散性和轻的质量等特性。

但现有的电极的电容容量、倍率性能、循环寿命、安全性还不够理想，存在的污染问题还没有很好地克服，使碳材料在超级电容器领域的应用性能没有有效发挥，影响了碳复合电极在超级电容器中具有很好的应用前景。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极、其应用及其制备方法，采用氮掺杂的方法，将GQDs表面胺基功能化，开发GQDs的赝电容活性，提高其电容性能，作为活性材料应用于超级电容器。本发明以生长在碳布上的二维Co-MOF作为模板，通过高温热裂解制备出多孔碳纳米片阵列。采用碱催化水相分子融合法，制备高浓度氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)，通过电沉积将N-GQDs负载到Co-MOF衍生的多孔碳纳米片阵列上，构筑氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布(N-GQD/CNS/CC)复合电极，该电极为自支撑结构，主要由碳元素组成，是绿色、无毒且环境友好的电极材料。具有高功率密度、高能量密度和循环寿命长等优点，在超级电容器应用方面表现出突出的电容性能。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极，以生长在碳布上的二维Co-MOF作为模板，通过高温热裂解方法制备出多孔碳纳米片阵列；采用碱催化水相分子融合法，制备氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)，通过电沉积方法，将N-GQDs负载到Co-MOF衍生的多孔碳纳米片阵列上，构筑氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合电极，形成N-GQD/CNS/CC的自支撑复合结构。

一种本发明氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极的应用，分别取两片N-GQD/CNS/CC电极材料，以浓度不低于1M的H₂SO₄溶液为电解质，组装成对称型N-GQD/CNS/CC超级电容器。

一种本发明氮掺杂石墨烯量子点/多孔碳纳米片阵列/碳布复合材料电极的制备方法，包括以下步骤：

a.碳布基底酸化处理：

将碳布进行酸化处理，使碳布表面上结合含氧官能团，形成金属离子附着位点，备用；