[發明專利]氮摻雜石墨烯水凝膠或氣凝膠及制備方法

無效

• 申請號: 201210341778.X
• 申請日: 2012-09-17
• 公開（公告）號: CN102874796A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 孫予罕;王剛;李德寶;賈麗濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 劉寶賢

技術領域

本發明屬于一種水凝膠和氣凝膠技術，更具體地涉及一種氮摻雜石墨烯水凝膠或氣凝膠及制備方法。

背景技術

石墨烯是繼富勒烯、碳納米管之后的一種新型的碳材料，自2004年Geim等用機械剝離法成功的制備了單層石墨烯，其便以獨特的性能在各個領域掀起了石墨烯研究的熱潮。石墨烯是SP²雜化的碳原子在六方晶格中排列所形成片狀單層，是一種完美的二維結構材料；其具有超高的比表面（2600?m²g^-1），高的熱導率（5000?Wm^-1K^-1），極大的載流子遷移速率（2×10⁵?cm²V^-1s^-1）和強的楊氏模量（1?TPa），因此石墨烯在儲能、催化、傳感器、電子器件、復合材料等方面的研究備受關注。為了進一步拓寬石墨烯材料的應用領域，需要對石墨烯的性能進行調變，有兩種方式可供選擇：一是通過改變石墨烯形貌（尺寸大小、邊沿類型等），達到調變性能的目的，比如石墨烯納米帶，石墨烯量子點；二是通過化學摻雜的方法，通過雜質原子（N、B等）的引入改變石墨烯的化學組成，從而達到調變的目的。其中，氮摻雜能夠顯著的調變石墨烯的性能，賦予了石墨烯更高的導電性、n型摻雜行為、對氧還原反應的催化性能等。氮摻雜石墨烯的制備是目前石墨烯研究較多的一個分支，主要方法有化學氣相沉積法、偏析生長法、電弧法、高溫熱處理法、等離子體法。

另一方面，在納米技術中，為了獲取宏觀上新穎的結構和功能，需要對微觀上具有特殊性質的納米材料單元進行組裝。石墨烯也不例外，通過對石墨烯的前驅體氧化石墨烯進行組裝，目前已經制備出了石墨烯透明導電薄膜、石墨烯紙、水凝膠、氣凝膠等。石墨烯水凝膠是一類以水為分散介質、具有高度交聯網絡骨架的凝膠，具有含水量高和良好的導電性、機械性能和電化學性能等特點。微觀網絡結構具有豐富的孔洞，提供了大的比表面積，是一種理想的電極材料。而石墨烯氣凝膠是分散介質為空氣的凝膠，具有極高的孔隙率（75-99.9%）、極低的密度（0.001-0.1g/cm³）和大的比表面積（200-1500?m²/g），在隔熱材料、隔音材料、吸附劑、儲能、催化劑載體、生物相容材料等方面都有大量的研究。石墨烯水凝膠和氣凝膠屬于碳基凝膠，具備碳基凝膠所具有特性，如生物相容性、導電性、吸附性等。

但是到目前為止，氮摻雜石墨烯的組裝研究還幾乎沒有展開，尤其是氮摻雜石墨烯水凝膠和氣凝膠的制備。主要原因為目前制備氮摻雜石墨烯所采用方法限制石墨烯單元的自組裝過程。

因此，一種成本低廉、操作簡單、易于生產放大的，制備氮摻雜石墨烯水凝膠和氣凝膠的方法有待開發。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種氮摻雜石墨烯水凝膠或氣凝膠的制備方法，該方法具有操作簡單、條件溫和、成本低廉、工藝易于放大的優點。

本發明的氮摻雜石墨烯水凝膠含水量為90-99.5%，導電率10^-3-100?S/m，N/C摩爾比值為1-25%。

本發明的氮摻雜石墨烯氣凝膠N/C摩爾比值為2-20%，C/O摩爾比值為15-5；氮原子的存在形式為胺基氮為40-70%），吡啶型氮為10-40%，石墨型氮為10-30%；比表面積300-1500m²/g，孔徑為微孔10-20%，介孔20-50%，大孔30-70%；表觀密度0.01-0.2g/cm³,孔體積5-20cm³/g,電導率1-1000?S/m。

本發明的制備方法具體包括以下步驟：

（1）氧化石墨烯分散液的制備：將氧化石墨研磨成1-100微米的細粉，隨后與溶劑混合，攪拌至分散均勻；之后對上述體系進行0.1-2h超聲處理,功率為10-1000W，制成濃度為0.1-9mg/mL的分散液；隨后經過離心處理除去少量的不溶物，所得液體即為氧化石墨烯分散液；

（2）氮摻雜石墨烯水凝膠的制備：將步驟（1）得到的氧化石墨烯分散液與氮源進行混合，攪拌或者超聲分散均勻，在30-220℃下反應0.5-36h,自組裝制得氮摻雜石墨烯水凝膠；

（3）氮摻雜石墨烯氣凝膠的制備：對步驟（2）所制備的氮摻雜石墨烯水凝膠進行干燥，制得氮摻雜石墨烯氣凝膠。