一种氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法及其应用.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106517157A(43)申请公布日2017.03.22(21)申请号201610958542.9(22)申请日2016.10.28(71)申请人华北电力大学地址102206北京市昌平区回龙观北农路2号华北电力大学申请人华北电力大学苏州研究院(72)发明人张一梅王飞朱浩(51)Int.Cl.C01B32/184(2017.01)H01G11/32(2013.01)H01G11/86(2013.01)权利要求书2页说明书5页附图5页(54)发明名称一种氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法及其应用(57)摘要本发明公开了一种氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法及其应用；将纳米纤维素与氧化石墨烯以及氨基化合物混合，利用水热法制备出复合水凝胶；再通过冷冻干燥以及高温碳化处理，得到氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶。优点：1）纳米纤维素具有较高的比表面积；2）采用水热法，氧化石墨烯与纳米纤维素自组装形成多孔水凝胶；3）通过冷冻干燥和碳化处理，将纳米纤维素转化为碳纳米纤维，碳纳米纤维具有优良的导电性和稳定性，且与其他碳纳米管类材料相比较，碳纳米纤维的成本低，应用前景更广泛;4）制备的气凝胶具有优良的电化学性能，比电容可以达到289F/g,在经过5000次充放电循环后其电容保留率能够达到90%，可以用作超级电容器电极材料。CN106517157ACN106517157A权利要求书1/2页1.一种氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法，包括以下工艺步骤：a）利用天然纤维为原料，通过化学机械法制备出纳米纤维素；b）将纳米纤维素与氧化石墨烯以及不同的氨基化合物混合，在温度为50～300℃，反应时间4～24h的条件下，利用水热法制备出复合水凝胶；c）将复合水凝胶利用液氮或超低温冰箱进行冷冻后，置于真空冷冻干燥机中进行脱冰干燥处理24～48h，冷冻完成后的气凝胶放入到管式炉中，利用氩为保护气体在500～800℃高温碳化处理1～3h，即得到氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶。2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤a）所述的天然纤维为10～100目的竹粉，木粉，麦秸秆，花生壳等，通过利用盐酸、硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等化学试剂进行提纯得到纤维素。3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤a）所述的机械处理为研磨机进行机械研磨时间为5～30分钟，得到直径分布在10～100nm的纳米纤维素。4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤b）所述的将纳米纤维素与氧化石墨烯以及氨基化合物混合，利用水热法制备出复合水凝胶，其方法包括：（1）精确取一定质量的氧化石墨烯，将其分散于去离子水中，配置浓度为1～10mg/ml的氧化石墨烯溶液，利用磁力搅拌和超声处理，得到分散均匀的氧化石墨烯水溶液；（2）称取纳米纤维素10～100mg，加入步骤（1）得到氧化石墨烯水溶液中，用玻璃棒搅拌5～15分钟；（3）取一定体积的氨基化合物溶液加入到步骤（2）得到的混合溶液中，利用超声处理10～50分钟，超声后的溶液呈现均匀分散的状态；（4）将步骤（3）得到的混合溶液加入到体积为25～100ml的聚四氟乙烯的反应釜中后，放入到烘箱中，在50～300℃恒定的温度条件下保温4～24h，得到复合水凝胶；（5）将制备出的复合水凝胶取出，用去离子水进行多次浸泡、清洗；（6）取出复合水凝胶放入到干净容器中，对水凝胶进行切片处理，对切片完成后的水凝胶进行冷冻处理，然后放入到冷冻干燥机中进行冷冻干燥24～48h。5.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法及其应用，其特征在于，步骤b）所述的将纳米纤维素与氧化石墨烯以及氨基化合物混合，利用水热法制备出复合水凝胶，其方法包括：选取的氨基化合物主要有尿素、三聚氰胺、乙二胺、三乙胺、乙酰胺等。6.根据权利要求4所述的一种氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（1）中氧化石墨烯的浓度为1～10mg/ml。7.根据权利要求4所述的一种氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（2）中纳米纤维素的质量为10～100mg。8.根据权利要求4所述的一种氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法,，其特征在于，步骤（3）中加入氨基化合物的量为20～100uL。9.根据权利要求4所述的一种氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法及，其特征在于，步骤（5）中将复合水凝胶在去离子水中浸泡1～2天，换水清洗5～10次。10.根据权利要求4所述的一种氮掺杂碳纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法，其特征2CN106517