本發(fā)明屬于納米復(fù)合材料制備領(lǐng)域，具體是涉及一種氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料及其制備。

背景技術(shù)：
石墨烯是碳材料的一種，自從2004年問(wèn)世以來(lái)，因其獨(dú)特的光電性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性能而引起了人們廣泛的重視。石墨烯因其優(yōu)異的導(dǎo)電性能而被廣泛的應(yīng)用在儲(chǔ)能器件（超級(jí)電容器，鋰離子電池，燃料電池等）中。化學(xué)法制備的石墨烯較易堆積，且還原的程度的差異也會(huì)影響石墨烯本身的性能，為了提高其性能，于是，石墨烯的制備方法及修飾成為研究的熱點(diǎn)，而在石墨烯制備的同時(shí)引入異質(zhì)原子會(huì)在很大程度上彌補(bǔ)缺陷，提高性能。例如，KlausMüllen等人通過(guò)水熱法在石墨烯的表面同時(shí)摻雜了氮、硼（Three-DimensionalNitrogenandBoronCo-dopedGrapheneforHigh-PerformanceAll-Solid-StateSupercapacitors.AdvancedMaterials2012,24(37):5130-5135.）；中國(guó)專利（CN103274393A、CN102760866A、CN103359708A、CN103359711A及CN102167310A等）通過(guò)不同的化學(xué)方法引入了氮源，制備了氮摻雜石墨烯，其中很多制備方法面臨著生產(chǎn)成本高、反應(yīng)所需設(shè)備復(fù)雜、反應(yīng)條件苛刻、產(chǎn)量低等問(wèn)題；雖然獲得的氮摻雜石墨烯與石墨烯相比，提高了其導(dǎo)電性能，但是如將其作為超級(jí)電容器的電極材料，其電化學(xué)性能（如比電容）遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。金屬氧化物中的鐵酸鋅最近成為研究的熱點(diǎn)，其理論比電容高達(dá)1000mAh/g，但是其衰減快，穩(wěn)定性差，于是將其與碳材料復(fù)合成為研究的熱點(diǎn)（GrapheneanchoredwithZnFe2O4nanoparticlesasahigh-capacityanodematerialforlithium-ionbatteries.SolidStateSciences2013,17,67-71.），但其性能仍有待于提高。氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料可以彌補(bǔ)各自的缺陷，提高材料的整體性能，目前，將氮摻雜石墨/鐵酸鋅二元納米復(fù)合材料還未見(jiàn)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有的制備技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種成本低廉，操作簡(jiǎn)單的制備氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料及其方法，該制備方法合成工藝簡(jiǎn)單，適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料，所述復(fù)合材料由基體材料氮摻雜石墨烯和鐵酸鋅組成，其中，基體材料氮摻雜石墨烯與鐵酸鋅的質(zhì)量比為1:3～1:10；所述的基體材料氮摻雜石墨烯中氮的摻雜量為1～2%。一種氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：第一步：將一定量的氧化石墨在乙二醇中超聲一段時(shí)間，得到分散均勻的氧化石墨烯溶液；第二步：將稱取的硝酸鋅和硝酸鐵溶于去離子水中，并攪拌致其完全溶解；第三步：將溶解的混合金屬鹽溶液倒入第一步所得到的氧化石墨烯溶液中，并攪拌使其混合均勻；第四步：將尿素加入到第三步所得到混合體系中，再次攪拌，使其分散均勻，其中尿素與氧化石墨的質(zhì)量比為100:1～200:1；第五步：將上述混合均勻的混合溶液轉(zhuǎn)移至水熱釜中，在120～200℃下進(jìn)行水熱反應(yīng)；第六步：將第五步產(chǎn)物進(jìn)行離心分離，并多次用去離子水洗滌、干燥后獲得氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料。步驟一中所述的超聲分散時(shí)間為2～5h。步驟二中所述的硝酸鐵和硝酸鋅的摩爾比為2:1，攪拌分散時(shí)間為5～30min。步驟三中所述的攪拌分散時(shí)間為30～90min。步驟四中所述的攪拌時(shí)間為60～90min。步驟五中所述的反應(yīng)時(shí)間為10～24h。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）本發(fā)明通過(guò)溶劑熱的方法制備，對(duì)設(shè)備要求低，不需要很高的溫度，合成工藝簡(jiǎn)單，利于低成本的大規(guī)模生產(chǎn)，且反應(yīng)試劑無(wú)毒，對(duì)環(huán)境污染小；（2）采用尿素對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行還原，在還原的同時(shí)，在石墨烯的表面摻雜了氮原子，氮原子的摻雜改變了石墨烯表面化學(xué)性質(zhì)，彌補(bǔ)了化學(xué)法制備石墨烯存在的表面缺陷同時(shí)，尿素提供的堿性，使鐵酸鋅在氮摻雜石墨烯的表面形成，同時(shí)鐵酸鋅納米粒子能夠進(jìn)一步阻止石墨烯層與層之間的堆積團(tuán)聚，提高復(fù)合材料的電化學(xué)性能。所以將氮摻雜石墨烯與鐵酸鋅復(fù)合在一起，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，改善各自的缺陷，從而獲得電化學(xué)性能優(yōu)異的電極材料。附圖說(shuō)明附圖1是本發(fā)明氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料制備的流程示意圖。附圖2是本發(fā)明實(shí)施例1所得氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料的XPS光譜圖（a）和結(jié)構(gòu)表征圖XRD譜圖（b）。附圖3是本發(fā)明實(shí)施例1所得氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料的形貌表征圖TEM照片。附圖4是本發(fā)明實(shí)施例3所得氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征圖XRD譜圖（a）和循環(huán)伏安性能測(cè)試圖（b）。具體實(shí)施方式下面主要結(jié)合附圖1以及及具體實(shí)施例對(duì)氮摻雜量為1～2%的質(zhì)量比為1:3～1:10的氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料的制備方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。實(shí)施實(shí)例1：含氮量為1%的氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料（氧化石墨與鐵酸鋅質(zhì)量比為1:3）的制備方法，包括以下步驟：第一步，將含量為100mg的氧化石墨在50mL的乙二醇中超聲，超聲3h后得到均勻的氧化石墨烯溶液；第二步，將1.0059g硝酸鐵和0.3703g硝酸鋅溶解在10mL去離子水中攪拌5min，致其完全溶解；第三步，將上述所得混合溶液倒入第一步所得到的氧化石墨烯溶液中，并攪拌30min，使其混合均勻；第四步，將10g的尿素加入到第三步所得到混合體系中，再次攪拌60min，使其分散均勻；第五步：將上述混合均勻的混合溶液轉(zhuǎn)移至水熱釜中進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度為100℃，反應(yīng)時(shí)間為24h；第六步：將第五步產(chǎn)物進(jìn)行離心分離，并多次用去離子水洗滌、干燥后獲得氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料。如圖2（a）XPS所示，圖中含有有碳，氧，氮及鐵和鋅五種元素，說(shuō)明了氮元素的成功摻雜，及鐵酸鋅的存在，且其中氮元素的含量為1%，結(jié)構(gòu)表征圖X-射線粉末衍射（XRD）如圖2（b）所示，圖中可見(jiàn)明顯的特征衍射峰，其特征衍射峰可以歸屬于鐵酸鋅納米粒子，故所制得的產(chǎn)物為氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料。其TEM照片如附圖3所示，從圖中可以看到鐵酸鋅納米粒子均勻分布在氮摻雜石墨烯的表面，表明二元氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料的成功制備。實(shí)施實(shí)例2：含氮量為1.5%的氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料（氧化石墨與鐵酸鋅質(zhì)量比為1:5）的制備方法，包括以下步驟：第一步，將含量為80mg的氧化石墨在40mL乙二醇中超聲2h，得到分散均勻的氧化石墨烯溶液；第二步，將1.3411g硝酸鐵和0.4938g硝酸鋅溶解在20mL去離子水中攪拌20min；第三步，將上述所得到的混合溶液倒入第一步所得到的氧化石墨烯溶液中，并攪拌60min，使其混合均勻；第四步，將15g的尿素加入到第三步所得到混合體系中，再次攪拌75min，使其分散均勻；第五步：將上述混合均勻的混合溶液轉(zhuǎn)移至水熱釜中進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度為180℃，反應(yīng)時(shí)間為18h；第六步：將第五步產(chǎn)物進(jìn)行離心分離，并多次用去離子水洗滌、干燥后獲得氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料。實(shí)施實(shí)例3：含氮量為2%的氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料（氧化石墨與鐵酸鋅質(zhì)量比為1:10）的制備方法，包括以下步驟：第一步，將含量為100mg的氧化石墨在40mL乙二醇中超聲5h，得到分散均勻的氧化石墨烯溶液；第二步，將3.3529g硝酸鐵和1.2344g硝酸鋅溶解在20mL去離子水中攪拌30min；第三步，將上述混合溶液倒入第一步所得到的氧化石墨烯溶液中，并攪拌90min，使其混合均勻；第四步，將20g的尿素加入到第三步所得到混合體系中，再次攪拌90min，使其分散均勻；第五步：將上述混合均勻的混合溶液轉(zhuǎn)移至水熱釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度為200℃，反應(yīng)時(shí)間為10h；第六步：將第五步產(chǎn)物進(jìn)行離心分離，并多次用去離子水洗滌、干燥后獲得氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)表征圖X-射線粉末衍射（XRD）如圖4（a）所示，圖中可見(jiàn)明顯的特征衍射峰，其特征衍射峰可以歸屬于鐵酸鋅納米粒子，當(dāng)水熱溫度有變化時(shí)，可以看到鐵酸鋅的特征峰有微小的變化，可證明所制得的產(chǎn)物為氮摻雜石墨烯/鐵酸鋅納米復(fù)合材料。（b）為其電化學(xué)性能測(cè)試圖，當(dāng)掃速為1mV/s時(shí)，其比電容高達(dá)659F/g，較單組份的電極材料有了很大程度的提高，且其在電流密度為100mA/g時(shí)，循環(huán)5000圈，庫(kù)倫效率一直維持在100%左右，比電容維持率保持在85%左右，比未摻雜氮的二元組分有了很大的提高。