[发明专利]一种自支撑三维多孔氮掺杂石墨烯－氢氧化镍超电容电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯复合材料应用技术领域，具体涉及一种三维多孔石墨烯－氢氧化镍复合材料的制备方法。

背景技术

由于化石燃料的快速消耗以及环境污染问题的日趋严峻，作为电化学能量储存装置中的希望之星——超级电容器得到了广泛的关注。超级电容器作为一种新型的能源存储器件，由于其具有高的功率密度(>10k W·kg^-1)、快速充放电过程(几秒内)、稳定的循环寿命(>10⁵次)、可靠性高、对环境友好以及低的维修成本等优点，使其广泛应用在消费电子产品、新能源汽车、航空航天、存储备份系统、工业电源和移动电子系统中。由于电极材料直接决定了超级电容器性能的好坏，目前对于超级电容器的研究主要集中在其关键部件——电极材料；开发出绿色环保、价格低廉和性能优异的电极材料至关重要。

石墨烯是由sp²杂化的碳原子紧密堆积成仅有单原子层和蜂窝状晶体的二维平面结构。由于其具有超高的比表面积、良好的化学稳定性、优异的机械以及优异的电化学性能等优点，使其成为理想的超级电容器电极材料。然而在实际应用中，由于范德华作用力的存在，石墨烯经常遭受严重的团聚或者堆叠，导致比表面积和导电率的大大降低；且石墨烯浸润性很差，导致其不能与电解质充分接触。此外，基于双电层的储能机理，造成石墨烯超级电容器的比电容较低，这些使得石墨烯不能满足实际需求，限制了其在超级电容器中的应用。

目前，提高石墨烯电容器比电容的方法主要有两种。一种是通过对石墨烯进行功能化处理来调节石墨烯的电子结构和化学性质，其中氮掺杂是一种简单而又有效的方法。氮掺杂不仅能有效防止石墨烯纳米片的团聚或者堆叠，提高石墨烯的导电性，改善石墨烯的亲水性，而且，还可以提供更多的活性位点和形核点，增强石墨烯和金属化合物之间的相互作用，从而有利于形貌、尺寸控制和电化学性能的提高。另一种是将石墨烯与金属化合物复合。金属化合物电极材料具有较高的比电容和能量密度，且价格低廉，已经成为有潜力的电极材料；然而他们的导电性和稳定性较差，导致其寿命短。将石墨烯与金属化合物两者进行有效复合，可以利用它们之间的协同增效作用实现电化学性能的优化，既维持石墨烯快速充放电的能力以及良好的循环稳定性，又充分利用金属化合物的赝电容提供更高的比电容和能量密度，从而实现电化学性能的协同增效。而目前复合电极材料的制备主要是机械混合等传统方法，这种方法难以使石墨烯与金属化合物复合均匀，使这种复合优势大大削弱，成为限制其发展及产业化的强大阻力和瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种高比容的三维多孔氮掺杂石墨烯/氢氧化镍电极材料制备方法。该制备方法所得的三维多孔氮掺杂石墨烯/氢氧化镍电极材料具有三维贯通的孔结构，大幅度提高电极材料的电化学性能，且能够自支撑，不需要粉末材料的混浆涂覆过程，可不经过任何后期处理直接应用，可以简化工艺流程，节约成本。本发明解决所述技术问题的技术方案是，

一种三维多孔氮掺杂石墨烯/氢氧化镍电极材料制备方法，步骤如下：

1)制备纳米多孔铜

制备80～120μm厚的合金箔片，其中Cu、Mn原子个数百分比分别为30％和70％，室温下将合金箔片置于0.01-0.3M盐酸稀溶液中，利用化学脱合金的方法处理20-120分钟；将制得的纳米多孔铜先用去离子水清洗，再用无水乙醇清洗，然后将洁净的纳米多孔铜箔片室温下进行真空干燥。

2)制备三维多孔氮掺杂石墨烯

将步骤1制得的纳米多孔铜放入石英舟中，把装有纳米多孔铜的石英舟置于反应管炉膛外部区域；先通入氩气和氢气，其中，氩气、氢气比例按500:200的流量配置，此时将炉温升至700-1000℃，待炉温升至指定温度后将石英舟快速移至反应管中部恒温区，在此温度下煅烧1-3分钟；然后再按1-50:5-50:500:200的流量比例通入乙炔、氨气、氢气、氩气，在此条件下煅烧1-5分钟；煅烧完毕后将石英舟快速从反应管中部恒温区移至炉膛外部，在氩气的气氛下将样品快速降至室温，然后将样品从管式炉中取出；然后将煅烧完的纳米多孔铜浸入配比为10g：10ml：100ml的氯化铁、盐酸和水的腐蚀液中，腐蚀时间为10～24小时，除去里面的铜模板；随后将得到的样品依次用去离子水和酒精清洗干净，然后干燥即可得到自支撑三维多孔氮掺杂石墨烯薄膜。

3)制备三维多孔氮掺杂石墨烯/氢氧化镍复合材料