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原位牺牲模板法制备氮化钒/氮掺杂石墨烯纳米复合材料研究取得新进展
2018-05-25 |     【关闭窗口】
    

    电动汽车及混合电动汽车的发展对高功率储能器件的要求越来越高。电化学电容器(超级电容器)具有极高的功率密度、中能的能量密度、超长的循环寿命及优异的低温性能,近年来受到广泛的研究和关注。电极材料的性质是影响超级电容器性能的主要因素,制备高性能电极材料是改善超级电容器性能的有效方法之一。目前研究较多的超级电容器电极材料为过渡金属氧化物如RuO2、MnO2、V2O5等,它们具有较高的理论比容量,然而,RuO2价格昂贵,其它过渡金属氧化的导电性较差。导电聚合物具有较高的比容量及电子导电性,但其稳定性较差。氮化钒(VN)属于金属间化合物,具有较高的理论比容量及电子导电性,是一种较为理想的超级电容器电极材料。

    然而,VN材料的倍率性能较差,在水溶液电解液中的循环稳定较差。目前,解决上述问题的主要方法是将VN与纳米结构碳材料进行复合。石墨烯作为一种先进碳材料,具有极高的比表面积,优良的电子导电性,被广泛用作基底材料或导电剂来提高电极材料的性能。氮化钒/氮掺杂石墨烯(VN/NGr)复合材料的主要制备方法如下:首先制备氧化石墨烯(GO),然后再通过水热或直接与钒酸盐或钒氧化物混合得到复合前驱体,最后通过还原氮化得到石墨烯基复合材料。该制备工艺流程较长,且工艺过程严格受限于GO的制备,且VN纳米颗粒在石墨烯的表面。因此,亟待开发一种制备VN/NGr的简单工艺。

    中国科学院过程工程研究所湿法冶金清洁生产技术国家工程实验室提出了采用原位牺牲模板法制备VN/NGr纳米复合材料并进行了系统研究。首先将模板前驱体、碳源、钒源混合均匀,然后将混合后的物料置于气氛炉中,在非氧化性气氛中煅烧,得到VN/NGr纳米复合材料。所得VN/NGr纳米复合材料具有开放的二维结构、较高的比表面积(399 m2/g)和孔体积(1.718 cm3 g-1),且VN纳米颗粒(2-7 nm)均匀嵌布在NGr骨架中。丰富的孔结构能促进电电解质离子的传递,氮掺杂及引入VN纳米颗粒可提高VN/NGr纳米复合材料的超电容性能。以VN/NGr作为超级电容器电极材料,比容量可达255 F g-1(10 mV s-1),同时具有良好的循环稳定性,经2000次循环后,比容量为初始比容量的94%。相关结果已经在Nanoscale上发表(Nanoscale, 2018, 10: 5246 – 5253, DOI: 10.1039/C7NR08985F)。

    采用原位牺牲模板法亦可实现氮掺杂石墨烯的可控制备,该方法制备的氮掺杂石墨烯具有较高的比表面积及合理的孔径分布。与现有工艺相比,该方法具有工艺流程短、原料来源广、廉价易得等优点。该制备工艺也可用来制备其它过渡金属氮化/氮掺杂石墨烯(TMNs/NGr)纳米复合材料,已申请中国发明专利(申请号:201710757897.6.)。

 


(a)NGr、(b)VN/NGr、(c)VN的SEM图,(d)VN/NG的TEM图
NGr和VN/NGr均具有超薄的二维结构,与NGr相比,VN/NGr的表面粗糙多孔,这主要是由VN纳米颗粒嵌入到NGr骨架造成的。

 

 

 

(湿法冶金清洁生产技术国家工程实验室)

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