[发明专利]一种氮化钨-氧化石墨烯复合材料的制备方法

说明书

本发明为一种具有纳米花状结构的氮化钨/氧化石墨烯复合材料及其制备方法和应用。该材料为WN与GO的复合物，WN与GO的质量比为85％:15％至65％:35％。其中，材料为自组装“花”状结构，“花”的整体尺寸大小约2～8μm，GO为骨架与支撑，WN纳米片沿着GO的边缘和褶皱表面组装和生长。制备方法中，采用了液相自组装‑低温煅烧合成方法，通过对分散液中WN/GO的质量比、分散液的浓度和煅烧温度等条件的严格控制，制备出纳米花状结构的WN/GO复合材料。本发明具有操作简单、复合相组分可控、制备条件温和与低成本等优点。

技术领域

本发明的技术方案涉及一种用于超级电容器的氮化钨(WN)/氧化石墨烯(GO)复合电极及其制备方法，具体地说是一种独特纳米花状结构的氮化钨/石墨烯(WN/GO)复合材料及其液相自组装—低温煅烧制备方法。

背景技术

随着社会与经济的高速发展，人类面临着严重的环境污染问题和能源危机。清洁的可再生能源是当前科研领域的研究重点。部分清洁能源，例如风能、太阳能和潮汐能等，具有地域性和时效性等特点。因此，这类能源的高效存储受到了广泛关注。根据储能机理，具体的研究方向包括超级电容器(Supercapacitors,SC)、锂离子电池、锂-硫电池和其他离子(钠离子、钾离子和铝离子)电池等(Nat.Mater.7(2008)845-854)。超级电容器是一种通过极化电解质来实现电荷存储的电化学储能技术。与二次电池技术相比，超级电容器具有高功率密度、大放电电流、快速充放电、良好的循环稳定性等优点(Nat.Mater.4(2005)366)，因此在新能源汽车、分布式电源、清洁能源存储、高原高寒通讯、工业控制等领域应用广泛。但是，超级电容器的能量密度又比二次电池低约一个数量级(APLMater.7(2019)100901)。其中，限制超级电容器性能的关键是电极材料。

过渡族金属氮化物具有高导电性、高赝电容容量、良好的稳定性和大电压窗口等优点，因此受到了研究关注(Nat.Rev.Mater.2(2017)16098；Ceram.Int.45(2019)21062-21076)。研究人员以核壳Fe₂N/TiN纳米棒为电极制备的超级电容器器件的比容量达到87.21F/g(测试电流密度为2.7A/g)，其能量密度更是高达48.45Wh/kg(Nano Energy 26(2016)1-6)。N掺杂C材料包覆的Fe₂N电极在0.5A/g的电流密度下的质量比容量提升到257.5F/g(Part.Part.Syst.Charact.37(2020)2000132)。水热法辅助合成的活性碳负载Fe₂N电极在0.5A/g的电流密度下的比容量为507F/g，随着电流密度升高到20A/g，比容量仍保持为366F/g(J.Mater.Chem.A 5(2017)5680-5684)。Salman等人制备了将WN包覆的还原氧化石墨烯纤维(rGOF)复合电极，在0.05Acm^-3的电流密度下，以该电极制备的超级电容器的体积比容量为16.29F/cm³，能量密度可以达到1.448mWh/cm³(Nanoscale 12(2020)20239-20249)。该研究通过三步法制备WN@rGOF电极，首先通过湿纺丝方法制备rGOF，然后将得到rGOF的浸泡于Na₂WO₄·2H₂O的水溶液中，通过水热方法制备WO₃@rGOF复合结构，最后在700℃氨气气氛下处理3h得到WN纳米颗粒包覆的rGO纤维。Yu等人通过融盐模板法合成了W₂N₃纳米片(Adv.Mater.30(2018)1805655)。总体而言，目前关于WN基复合电极的研究较少，且制备方法较为复杂。因此，探索具有高储能性能的WN基复合电极的简易合成方法是非常必要的。

发明内容