石墨烯作為一種先進碳材料,具有極高的比表面積,優良的電子導電性,被廣泛用作基底材料或導電劑來提高電極材料的性能。氮化釩/氮摻雜石墨烯(VN/NGr)復合材料的主要制備方法如下:首先制備氧化石墨烯(GO),然后再通過水熱或直接與釩酸鹽或釩氧化物混合得到復合前驅體,最后通過還原氮化得到石墨烯基復合材料。

(a)NGr、(b)VN/NGr、(c)VN的SEM圖,(d)VN/NG的TEM圖

(a)NGr、(b)VN/NGr、(c)VN的SEM圖,(d)VN/NG的TEM圖

NGr和VN/NGr均具有超薄的二維結構,與NGr相比,VN/NGr的表面粗糙多孔,這主要是由VN納米顆粒嵌入到NGr骨架造成的。

據中國科學院過程工程研究所網站消息,電動汽車及混合電動汽車的發展對高功率儲能器件的要求越來越高。電化學電容器(超級電容器)具有極高的功率密度、中能的能量密度、超長的循環壽命及優異的低溫性能,近年來受到廣泛的研究和關注。電極材料的性質是影響超級電容器性能的主要因素,制備高性能電極材料是改善超級電容器性能的有效方法之一。目前研究較多的超級電容器電極材料為過渡金屬氧化物如RuO2、MnO2、V2O5等,它們具有較高的理論比容量,然而,RuO2價格昂貴,其它過渡金屬氧化的導電性較差。導電聚合物具有較高的比容量及電子導電性,但其穩定性較差。氮化釩(VN)屬于金屬間化合物,具有較高的理論比容量及電子導電性,是一種較為理想的超級電容器電極材料。

然而,VN材料的倍率性能較差,在水溶液電解液中的循環穩定較差。目前,解決上述問題的主要方法是將VN與納米結構碳材料進行復合。石墨烯作為一種先進碳材料,具有極高的比表面積,優良的電子導電性,被廣泛用作基底材料或導電劑來提高電極材料的性能。氮化釩/氮摻雜石墨烯(VN/NGr)復合材料的主要制備方法如下:首先制備氧化石墨烯(GO),然后再通過水熱或直接與釩酸鹽或釩氧化物混合得到復合前驅體,最后通過還原氮化得到石墨烯基復合材料。該制備工藝流程較長,且工藝過程嚴格受限于GO的制備,且VN納米顆粒在石墨烯的表面。因此,亟待開發一種制備VN/NGr的簡單工藝。

中國科學院過程工程研究所濕法冶金清潔生產技術國家工程實驗室提出了采用原位犧牲模板法制備VN/NGr納米復合材料并進行了系統研究。首先將模板前驅體、碳源、釩源混合均勻,然后將混合后的物料置于氣氛爐中,在非氧化性氣氛中煅燒,得到VN/NGr納米復合材料。所得VN/NGr納米復合材料具有開放的二維結構、較高的比表面積(399 m2/g)和孔體積(1.718 cm3 g-1),且VN納米顆粒(2-7 nm)均勻嵌布在NGr骨架中。豐富的孔結構能促進電電解質離子的傳遞,氮摻雜及引入VN納米顆??商岣遃N/NGr納米復合材料的超電容性能。以VN/NGr作為超級電容器電極材料,比容量可達255 F g-1(10 mV s-1),同時具有良好的循環穩定性,經2000次循環后,比容量為初始比容量的94%。相關結果已經在Nanoscale上發表(Nanoscale, 2018, 10: 5246 – 5253, DOI: 10.1039/C7NR08985F)。

采用原位犧牲模板法亦可實現氮摻雜石墨烯的可控制備,該方法制備的氮摻雜石墨烯具有較高的比表面積及合理的孔徑分布。與現有工藝相比,該方法具有工藝流程短、原料來源廣、廉價易得等優點。該制備工藝也可用來制備其它過渡金屬氮化/氮摻雜石墨烯(TMNs/NGr)納米復合材料,已申請中國發明專利(申請號:201710757897.6.)。

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