[发明专利]高效率制备氮掺杂石墨烯碳纳米管薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种高效率制备氮掺杂石墨烯碳纳米管薄膜的方法，先通入Ar以排除立式CVD炉内的空气，炉内升温至1100～1200℃。按照787:15:8的质量比配置乙醇、二茂铁、噻吩的乙醇溶液，外加质量百分比为1％～4％的吡咯，再将氧化石墨烯溶入其中，使其在乙醇溶液中的浓度为1.2mg/mL，超声分散后作为前驱体溶液；按照8:1的体积比注入H₂和Ar，待其充满整个立式CVD炉膛，再将前驱体溶液注入炉内。在炉膛底部，收集筒状类的石墨烯碳管膜，制成氮掺杂石墨烯碳纳米管薄膜。本发明工艺简单，氮元素高效率进入石墨烯碳纳米管薄膜中，解决了在浮动裂解一步制备石墨烯碳纳米管薄膜过程中氮源难以被高效率引入的问题，显著提高了该材料质量比电容。

技术领域

本发明属于一种石墨烯基复合材料，特别涉及一种高效率制备氮掺杂石墨烯碳纳米管薄膜的制备方法，氮源通过该方法高效率地引入到石墨烯碳纳米管复合体系中。

背景技术

石墨烯具有高比表面积、高导电率、高导热率、柔性、来源丰富等许多优点，在锂离子电池、超级电容器、太阳能薄膜电池、混合动力汽车等众多领域有着广泛的应用。同时，由于其特殊的片层结构以及层与层之间较弱的范德瓦耳斯力(层间距～0.34nm)，石墨烯在许多材料体系中都面临着团聚的困扰。碳纳米管作为一种独特的一维材料，却拥有同石墨烯一样的高的导电性和比表面积。将碳纳米管引入到石墨烯中，组成新型的三维体系，期望碳纳米管在复合体系中可以起到支架的作用，从而有效地降低石墨烯层的团聚，以此提高石墨烯碳纳米管复合体系在能量储存装置中的应用潜能。从储存机理方面来看，超级电容器可以分为双电层电容器、赝电容器。双电层电容是通过电荷在电极材料和电解液界面的静电储存来储存能量。赝电容则是通过电极材料表面或体相中的二维或准二维空间发生的氧化还原反应来储存能量，所以赝电容具有较高的质量比电容。石墨烯碳纳米管复合材料以其超高的比表面积和超高的导电性被广泛应用在双电层电容器中，但同时也面临着有效比表面积不足和质量比电容不高的困扰。通过氮原子的掺杂，将赝电容效应引入双电层电容器中，可以有效提高双电层电容器的质量比电容。目前，关于在立式CVD炉通过浮动裂解一步制备石墨烯碳纳米管薄膜复合材料就鲜有报道，而能在这种实验方法中高效率引入氮源来提高其质量比电容的研究就更少。如何通过合适的氮源来引入氮，改变工艺参数制备出连续性好、含氮量高的石墨烯碳纳米管薄膜是亟待解决的一个难点问题。

浮动裂解一步制备法是采用有机金属化合物为催化剂，噻吩为反应促进剂，将其溶入乙醇当中，前驱体溶液一同被注入立式CVD炉内，催化剂颗粒浮在反应气H₂的载气中，最终可以在炉膛底部收集到薄膜状的产物，使制备连续化、规模化。该方法的缺点是对反应物的选择苛刻，且氮源较难进入浮动的反应体系。

发明内容

本发明的目的，是针对在立式CVD炉的制备体系中、氮源较难通过浮动裂解法进入石墨烯碳纳米管薄膜体系的缺点，提供一种工艺简单，氮元素引入效率较高的可靠氮源，显著提高石墨烯碳纳米管薄膜质量比电容的方法。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种高效率制备氮掺杂石墨烯碳纳米管薄膜的方法，具有如下步骤：

(1)将立式CVD炉完全密封，持续通入100～300sccm的Ar，使立式CVD炉内的空气排除干净，再通过温度控制器将立式CVD炉升温至1100～1200℃，保温2～5h，为后续石墨烯碳纳米管膜的生长提供恒温环境；

(2)按照787:15:8的质量比称量乙醇、二茂铁、噻吩，将其混合为乙醇溶液，置于烧杯中；再外加质量百分比为1％～4％的吡咯(C₄H₅N)，将其溶入上述乙醇溶液中；再称量一定质量的氧化石墨烯，溶入乙醇溶液，其在乙醇溶液中的浓度应保持在1.0～1.3mg/mL；将上述溶液经过30min超声分散后转移至注射器，再将注射器安装在对应的注射泵中，作为前驱体溶液；