您好, 访客   登录/注册

氟氮掺杂石墨基材料的合成及容量性能研究

来源:用户上传      作者:

  摘 要:以石墨为原料,聚四氟乙烯(PTFE)为氟化剂利用固相法合成氟化石墨,再以杯吡咯为氮源与氟化石墨复合,得到氟化石墨/杯吡咯复合材料。通过红外谱图、扫描电镜对复合材料表征,并利用循环伏安法研究复合材料的容量性能。
  关键词:PTFE;氟化石墨;杯吡咯;容量性能
  石墨是一种简单的二维零带隙半导体材料,由于其广泛的应用范围,一直是科学界研究的热点。但是纯石墨活性位点不足,在实际应用中受限,为了弥补其自身缺陷,可以对石墨进行氟化,氟化石墨的制备方法可以分为:气相法[1]、等离子体法[2]、 溶液法[3]、固相法[4]等,气相法、等离子体法和溶液法均要用到高毒且价格昂贵的氟化剂,固相法环保、简单易操作。另外,对石墨进行掺杂也是一种有效的修饰手段,掺杂可以调整石墨的能带隙,杂原子能够改变石墨的电化学性能和催化性能[5]。目前有磷掺杂、硼掺杂和氮掺杂等,其中氮掺杂的研究最多。磷掺杂率较低,硼掺杂材料的电负性比氮掺杂的要小[6],氮原子能诱导更多的正电荷到相邻的碳原子上[7],有效地提高材料电催化活性,并且具有优异的稳定性。
  1 实验部分
  (1)材料制备。称量14g聚四氟乙烯乳液(质量分数60%),1g石墨,混合均匀,40℃下超声2h,放入烘箱中150℃烘干。然后烘干物质放入镍舟中,在氮气气氛下将其放入高温管式炉中反应,250℃关闭氮气,密封加热,500℃保温2h。最终得到灰黑色物质为氟化石墨。称量0.15g杯吡咯(实验室自制)溶解于乙醇中,再加入2g氟化石墨,超声震荡1h。水浴加热使乙醇挥发,再放入烘箱中烘干。烘干物质放入镍舟中,在氮气气氛下放入管式炉中反应,250℃时停止通入氮气,密封加热,700℃保温2h。得到黑色膨胀产物为氟化石墨与杯吡咯的复合产物。
  (2)结构表征和容量性能测试。采用JSM-7500F冷场发射扫描电子显微镜(JEOL)表征材料的微观形貌和结构。采用Nicolet 5DXC傅里叶变换红外光谱( FT-IR) 分析材料的化学成分。在电极制作中,将样品、乙炔黑和PTFE按质量比80:10:10分散于乙醇中,用玛瑙研钵充分研磨至呈浆液,然后压片于不锈钢片上,并于120 ℃真空干燥箱中干燥12 h。不锈钢片作为对电极,Ag /AgCl 电极作为参比电极,以1.0 mol /L 硫酸溶液作为电解液,组成三电极电化学测试体系。在室温条件下,采用电化学工作站(CHI660)在-0.2~0.8V电压范围内对样品进行循环伏安(CV) 测试。
  2 结果与讨论
  (1)红外图像分析。图1表示的是石墨、聚四氟乙烯、氟化石墨的红外光谱图,在波数1000~1400cm-1范围之间若有吸收峰,则表明存在C-F键。由图1可知石墨在1000~1400cm-1间无吸收峰,产物氟化石墨在1153cm-1与1218cm-1处有明显的吸收峰,且吸收峰与PTFE的吸收峰存在显著的差异,证明产物中有C-F键生成。1218 cm-1与1153cm-1分别对应着C-F键和C2F键,说明氟化反应的产物中有C-F键和C2F键生成。
  (2)SEM图像分析。图2表示的是氟化石墨/杯吡咯复合材料的扫描电镜图,由图2可以看出,复合材料已呈现很好的层状结构,而不同于石墨的片状结构。这可能是因为电负性较强的氟、以及空间结构较大的杯吡咯引入,增大了石墨的层间距,有利于石墨的剥离,从而呈现类似于石墨烯的层状结构。
  (3)容量性能分析。由图3可知,氟化石墨/杯吡咯复合材料的容量性能优于石墨、氟化石墨、杯吡咯等三种物质,同时氟化石墨的比容量大于石墨,这可能是因为F原子引入后,F原子之间有较强的电负性,斥力较大,增大石墨层与层之间的距离,故提高了比容量;同时在F原子引入的基础上,由于杯吡咯与F之间较强的络合能力,在高温的条件下,有利于杯吡咯的引入,从而可以得到氟氮掺杂的石墨基材料。
  3 结论
  以天然鳞片石墨为原料,聚四氟乙烯为氟化剂通过固相法合成灰黑色产物氟化石墨,高温条件下使杯吡咯与氟化石墨复合,由于杯吡咯与F离子较强的络和能力,有利于氮源的引入,因此可以达到调整石墨能带结构的目的,加大石墨的层间距,增加石墨的比表面积,从而提高了石墨的比容量。
  参考文献
  [1]Nair RR, Ren W, Jalil R, Riaz I, Kravets VG, Britnell L, et al.Fluorographene: a two-dimensional counterpart of teflon.Small 2010;6(24):2877-84.
  [2]Ho KI, Liao JH, Huang CH, Hsu CL, Zhang WJ, Lu AY, et al. One-step formation of a single atomic-layer transistor by the selective fluorination of a graphene film. Small 2014;10(05):989-97.
  [3]Zhao FG, Zhao G, Liu XH, Ge CW, Wang JT, Li BL, et al. Fluorinated graphene: facile solution preparation and tailorable properties by fluorine-content tuning. J Mater Chem A 2014;2(23):8782-9.
  [4]Ha TJ, Lee J, Chowdhury SF. Transformation of the electrical characteristics of graphene field-effect transistors with fluoropolymer. ACS Applied Mater-ials Interfaces 2013;5(01):16-20.
  [5]Zhu Z F, Cheng S, Dong X N. The preparation and application of grapheme[J]. Journal of functional materials,2013,44(21):3060-3065.
  [6]Kong X K, Chen C L, Chen Q W. Doped grapheme for metal-free catalysis[J].Chemical Society Reviews,2014,43:2841-2857.
  [7]Cao Y, Yu H, Tan J, et al. Nitrogen, phosphorous and boron-doped carbon nanotubes as catalysts for the aerobic oxidation of cyclohexane[J].Caron, 2013,57:433-442.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-11685406.htm