具有超高储锂容量的氮掺杂石墨烯的制备方法

摘要

本发明涉及一种具有超高储锂容量的氮掺杂石墨烯的制备方法，包括：步骤A：在制备氧化石墨烯的过程中引入氮源，制得氮掺杂氧化石墨烯；以及步骤B：于180～200℃水热处理所述氮掺杂氧化石墨烯制得所述氮掺杂石墨烯。本发明可控性高，重复性好，适合规模生产，并且制得的材料可直接应用，省去了传统的后处理掺氮过程，使得制备方法相对简单。

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的制备领域，具体涉及一种从氮掺杂氧化石墨烯水热法还原制备 氮掺杂石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯因其超大的比表面积、高导热导电性和强的杨氏模量已经在许多领域得到了 广泛的关注。特别是在锂离子电池领域，石墨烯与其他物质结合，如金属氧化物、金属硫化 物等等，已经取得了优异的电学性能。石墨烯提供了高效的导电网络，而且使其负载的物质 有了更高的稳定性，从而使石墨烯基复合材料表现出了更高的储锂容量和循环稳定性。

目前，有关石墨烯的掺杂也得到了人们的大量研究。掺杂物有硼、氮、气体、金属 和有机分子等等，掺杂后的石墨烯化学活性和电性能方面得到了更大的提高。在众多掺杂之 中，氮掺杂石墨烯得到了最多的关注，相比于未掺杂的石墨烯，氮掺杂石墨烯拥有更多的活 性区域，这样更有利于其表面的嵌锂/脱锂的发生。在锂离子电池领域，还原的氧化石墨烯 是用作复合材料最常见的基底，但是弱导电性限制了其作为导电网络的应用，而氮掺杂石墨 烯中的氮原子可以通过提供更多的电子云密度来提高导电性。但是目前报道中氮掺杂石墨烯 的做法均较为复杂，都要有掺氮的过程，无论是单独使用还是与其他物质复合均使步骤复杂 化。

Journal of Materials Chemistry2011,21(14),5430公开了一种气氛炉热处理法制备氮掺 杂石墨烯的过程，在800℃氨气气氛下热处理2小时，使得氮原子的掺杂量达到了2%，该 方法制备的氮掺杂石墨烯在充放电电流密度为42mA/g的情况下，处理容量达到900 mAh/g。

ACS Nano2011,5,5463公开了一种气氛炉热处理法制备氮掺杂石墨烯的过程，该方 法将氧化石墨烯在600℃氨气气氛下热处理了2小时，得到的氮掺杂石墨烯在50mA/g的 电流密度下经过30次循环，容量达到872mAh/g，远远超过未掺杂石墨烯的638mAh/g容 量。

CN102120572B公开一种氮掺杂石墨烯的制备方法，其将氧化钛的石墨烯和三聚氰胺 混合研磨后置于密闭惰性气体中加热于700～1200℃下的进行高温热还原和氮掺杂反应制得 氮掺杂石墨烯，该法处理温度高。又，CN102167310B公开一种水热法制备氮掺杂石墨烯材 料的方法：将氧化石墨烯溶于溶剂中，加入表面活性剂后混合均匀，再加入含氮化合物后再 100～190℃下水热反应制得氮掺杂石墨烯。该法需要表面活性剂，而且氧化石墨烯的分散需 要进行复杂的超声分散或者加热搅拌法进行。

发明内容

面对现有氮掺杂技术存在的问题，本发明人在此提出通过在制备氧化石墨烯的过程 中引入氮源制得氮掺杂氧化石墨烯作为前驱体，再通过直接水热还原制备氮掺杂石墨烯材 料。这样，省去了传统的后处理掺氮过程，工艺更为简单，应用更为广泛，只需将本发明中 的氮掺杂氧化石墨烯用传统还原氧化石墨烯的方法处理即可得到氮掺杂石墨烯材料。

在此，本发明首先提供一种具有超高储锂容量的氮掺杂石墨烯的制备方法，包括：

步骤A：在制备氧化石墨烯的过程中引入氮源，制得氮掺杂氧化石墨烯；以及

步骤B：于180～200℃水热处理所述氮掺杂氧化石墨烯制得所述氮掺杂石墨烯。

本发明的制备方法通过在传统的制备氧化石墨烯的步骤中引入氮源，从而制得氮掺 杂氧化石墨烯，并将其高温水热得到了氮掺杂石墨烯材料。与现有技术相比，本发明可控性 高，重复性好，适合规模生产，并且制得的材料可直接应用，省去了传统的后处理掺氮过 程，使得制备方法相对简单。

较佳地，所述步骤A包括：混合所述石墨粉、高锰酸钾、硝酸钠和浓硫酸，再向其 中加入所述氮源，于30～40℃下进行第一阶段反应12～36小时，再升温至80～90℃，进 行第二阶段反应0.5～2小时。

较佳地，在所述步骤A中，所述石墨粉、高锰酸钾、硝酸钠和浓硫酸的比例可为 （1g）：（3g）：（0.5-1g）：（46-50mL）。

较佳地，在所述步骤A中，可先将石墨粉和硝酸钠加入到浓硫酸中，然后分批加入 高锰酸钾。

较佳地，在所述步骤A中，可在0～4℃下加入高锰酸钾。

较佳地，在所述步骤A中，可在0～4℃下加入所述氮源。

较佳地，在所述步骤A中，升温至80～90℃后加入水再进行所述第二阶段反应，其 中加入的水和浓硫酸的体积比为2：1。

较佳地，在所述步骤A中，所述第二阶段反应结束后加入浓度为30%的双氧水结束 反应，加入的双氧水和浓硫酸的体积比为2：1。

较佳地，所述氮源可为三聚氰胺、和/或尿素。

较佳地，所述水热反应的时间可为4～8小时。

附图说明

图1示出本发明一个实施形态制备的氮掺杂石墨烯（实施例1）及其前驱体（对比例 1）的XRD图；

图2示出本发明一个实施形态制备的氮掺杂石墨烯的TEM图；

图3示出本发明一个实施形态制备的氮掺杂石墨烯的XPS谱图；

图4示出本发明一个实施形态制备的氮掺杂石墨烯的C1s电子XPS谱图；

图5示出本发明一个实施形态制备的氮掺杂石墨烯的N1s电子XPS谱图；

图6示出本发明一个实施例1、对比例2的阻抗谱图；

图7示出本发明一个实施形态制备的氮掺杂石墨烯的CV曲线图；

图8示出本发明一个实施形态制备的氮掺杂石墨烯的电压-比容量剖面图；

图9示出本发明一个实施例1、对比例2的低倍率循环容量图；

图10示出本发明一个实施例1、对比例2的多倍率循环容量图。

具体实施方式

以下结合附图及下述具体实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式和/或 附图仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明采用三聚氰胺作为氮源，采用在常见的化学法制备氧化石墨烯中引入掺氮步 骤制备前驱体，经高温水热后得到氮掺杂石墨烯。将制备的氮掺杂石墨烯与导电剂、粘结剂 混合均匀后，涂抹在集流体铜箔上，然后用模具打成圆片状之后作为锂离子纽扣电池材料进 行组装。本发明利用氮掺杂石墨烯导电性高，活性位点多及储锂能力强的特点，制备出大容 量、高循环寿命的锂离子电池电极材料。

下面说明本发明的步骤：

（1）将石墨粉、硝酸钠、浓硫酸在冰水浴下搅拌，可在搅拌中间加入高锰酸钾，搅拌2-4 小时后加入三聚氰胺，中温30-40℃反应12-36小时，然后加入热水进行高温反应0.5-2小 时，温度保持在80-90℃，高温反应完之后加入双氧水结束反应。这里虽然采用三聚氰胺作 为氮源，但应理解可采用其他合适的氮源，例如尿素。

优选的石墨粉、硝酸钠、高锰酸钾和浓硫酸的用量比可为（1g）：（0.5g）：（3g）： （50mL），反应中加大高锰酸钾和浓硫酸的用量可以使氧化石墨烯的氧化程度增加。

优选的，反应最开始最好使用冰水浴，或者冷水浴水温在4℃以下，反应时间为2 小时。

优选的，高锰酸钾的加入最好分步进行，在冰水浴的时间内每隔半小时加入一次高 锰酸钾。氮源可随最后一次高锰酸钾加入。

优选的，中温反应的温度在30-40℃，温度过低不利于石墨层的剥落和氧化石墨烯 的形成，温度过高则使氧化石墨烯缺陷增多，不易形成大片的氧化石墨烯片层。

优选的，中温反应结束后，加入的热水与浓硫酸的体积比为2：1。为了结束高温反 应，加入的双氧水的浓度可为30%，加入的量和浓硫酸的体积比为2：1。

（2）反应结束后，冷却至室温，将所得产物依次经过离心，过滤，水洗，乙醇洗， 反复三次，最后烘干得到前驱体，此处前驱体经XRD、XPS分析为氮掺杂氧化石墨烯。

（3）将前驱体经过高温水热，例如在180-200℃下水热4-8小时，可得到氮掺杂石 墨烯材料。

将所制备的氮掺杂石墨烯粉体与导电剂、粘结剂混合均匀涂抹在集流体铜箔上，利 用模具打成片状封装在锂离子纽扣电池中对其电化学性能进行研究，具体操作如下。

（1）按质量比8：1：1的比例将氮掺杂石墨烯、导电炭乙炔黑、粘结剂聚四氟乙烯 混合后，滴入少量的氮甲基吡咯烷酮，研磨均匀。

（2）将得到的浆料均匀涂抹在铜箔上，并于100-110℃烘箱中干燥，干燥之后使用 皮带冲模具将铜箔冲出圆片状电极材料。

（3）在手套箱中，将电极材料作为锂离子电池电极封装入纽扣型锂离子电池中。

（4）将纽扣电池放入电化学工作站中，采用循环伏安法和恒电流充放电的方法对其 电化学性能进行测试。

实验证明本发明合成的氮掺杂石墨烯用作电极材料具有优异的电化学性能，可用于 制备大比容量、高循环寿命的锂离子电池。

本发明提供的氮掺杂石墨烯电极材料的制备方法有如下特点：

（1）其前驱体氮掺杂氧化石墨烯的制备在该领域的研究中尚属首次，本发明对传统的化学 法制备氧化石墨烯材料进行改进，在冰水浴的过程中引入氮源，相比于后处理氧化石墨烯掺 氮的方法，本方法应用起来步骤更为简单，而且很多后处理掺氮过程化学环境要求较高，使 用本实验的氮掺杂石墨烯则只需温和的水热即可制备出材料。

（2）氮原子的掺入引入了更高的电子云密度，从而相较于未掺杂的石墨烯，本发明 中的氮掺杂石墨烯有着更高的导电性，更有利于电子和离子的传输。

（3）氮掺杂石墨烯中的氮元素使得石墨烯表现出了更高的化学活性，从而拥有了更 高的储锂容量。

（4）阻抗谱测试表明，氮掺杂石墨烯相对于未掺杂的石墨烯，其导电性约提高了两 倍，阻抗从原来的40Ω降低到了掺杂后的20Ω。

（5）比容量高，制备的氮掺杂石墨烯材料在37mA/g的电流密度下，比容量高达 600mAh/g，远远高于未掺杂石墨烯材料的350mAh/g。

（6）大电流充放电容量也较高，制备的氮掺杂石墨烯材料在744mA/g的电流密度 下，比容量高达200mAh/g，远远高于未掺杂石墨烯材料的120mAh/g。

（7）循环稳定性好，制备的氮掺杂石墨烯材料在经过60次循环之后，容量基本保 持不变。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发 明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的 上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的反应温 度、时间投料量等也仅是合适范围中的一个示例，即、本领域技术人员可以通过本文的说明 做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

将1.0g石墨粉与0.5g硝酸钠溶于50mL浓硫酸中，冰水浴下搅拌，每隔0.5小时加入1g 高锰酸钾，共3次，最后一次伴随加入1g三聚氰胺。升温到30℃，搅拌24小时，然后升 温至90℃，逐滴加入46mL热水，搅拌1小时后停止保温，加入20mL30%的双氧水。随 后将所得到的产物依次经过离心、过滤、水洗、乙醇洗，反复三次，最后烘干得到前驱体。 将所得前驱体在180℃水热6小时得到氮掺杂石墨烯材料。并将其制成浆料，涂抹、打孔 后封装入纽扣锂离子电池中进行测试。

图1是实施形态制备的氮掺杂石墨烯及其前驱体的XRD图，其中对比例1的曲线是 前驱体氮掺杂氧化石墨烯的XRD谱图，由于氮掺杂量不足以引起XRD峰型的变化，所以 观察到的谱图与传统化学法制得的氧化石墨烯一致。实施例1的XRD谱图与石墨烯材料的 XRD谱图一致。

图2是实施形态制备的氮掺杂石墨烯的TEM图，可以清晰的看见氮掺杂氧化石墨烯 拥有石墨烯标志性的二维层状结构和褶皱。

图3是实施形态制备的氮掺杂石墨烯的XPS谱图，可以清晰的看见本发明所制备的 氮掺杂石墨烯中出现氮元素的特征峰。

图4是实施形态制备的氮掺杂石墨烯的C1s电子XPS谱图，图中碳氧单键的峰出现 在298.8eV，峰强度很弱，说明氧化石墨烯得到了较好的还原。

图5是实施形态制备的氮掺杂石墨烯的N1s电子XPS谱图，图中的氮峰可以通过分 峰表示为三种不同化学环境的峰位，这是氮掺杂石墨烯标志性的三种分峰。

图6是实施例1、对比例2的阻抗谱图，从图中可以看出未掺杂的石墨烯阻抗在40 Ω，氮掺杂石墨烯阻抗为20Ω，可见掺氮之后材料的导电性有了大幅度的提高。

图7是实施形态制备的氮掺杂石墨烯的CV曲线图，首次充放电的积分面积较大，可 见首次容量较高，这里面包含不可逆储锂容量，在第二次充放电时容量就有所下降，从第十 次充放电以后，容量保持稳定，可见本发明所做的氮掺杂石墨烯材料循环稳定性较好。

图8是实施形态制备的氮掺杂石墨烯的电压-比容量剖面图，从中可以明显看出氮掺 杂石墨烯材料的嵌锂脱锂电压在0.2V左右。

图9是实施例1、对比例2的低倍率循环容量图，氮掺杂石墨烯材料在37mA/g较低 的充放电电流密度下，比容量高达600mAh/g，远远高于未掺杂石墨烯材料的350mAh/g。

图10是实施例1、对比例2的多倍率循环容量图，本发明材料的大电流充放电容量 也较高，制备的氮掺杂石墨烯材料在744mA/g的电流密度下，比容量高达200mAh/g，远 远高于未掺杂石墨烯材料的120mAh/g。

对比例1

将1.0g石墨粉与0.5g硝酸钠溶于50mL浓硫酸中，冰水浴下搅拌，每隔0.5小时加入1g 高锰酸钾，共3次，最后一次伴随加入1g三聚氰胺。升温到30℃，搅拌24小时，然后升 温至90℃，逐滴加入46mL热水，搅拌1小时后停止保温，加入20mL30%的双氧水。随 后将所得到的产物依次经过离心、过滤、水洗、乙醇洗，反复三次，最后烘干得到前驱体。 本对比例并没有进行后续的水热反应，制得的样品为氮掺杂氧化石墨烯，其XRD表征见图 1，此对比材料是为了说明水热法可以有效的将氧化石墨烯转变为石墨烯材料。

对比例2

将1.0g石墨粉与0.5g硝酸钠溶于50mL浓硫酸中，冰水浴下搅拌，每隔0.5小时加入1g 高锰酸钾，共3次。升温到30℃，搅拌24小时，然后升温至90℃，逐滴加入46mL热 水，搅拌1小时后停止保温，加入20mL30%的双氧水。随后将所得到的产物依次经过离 心、过滤、水洗、乙醇洗，反复三次，最后烘干得到前驱体。将所得前驱体在180℃水热6 小时得到氮掺杂石墨烯材料。并将其制成浆料，涂抹、打孔后封装入纽扣锂离子电池中进行 测试。本对比样并没有引入氮源，从而制备的材料问未掺杂的石墨烯材料。通过图6的对比 可以发现，其导电性弱于氮掺杂石墨烯，通过图9、图10的对比可以发现，其储锂容量也 远低于氮掺杂石墨烯材料。

产业应用性：本发明的方法制备工艺简单可控适合规模生产，制得的氮掺杂石墨烯 材料具有高的导电性，而且制备成电极材料后比容量高、倍率性好、循环稳定性好，非常适 用作锂离子电池的电极材料，有广阔的应用前景。