[發明專利]硼摻雜石墨烯及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201210412188.1
• 申請日: 2012-10-25
• 公開（公告）號: CN103771398A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 周明杰;鐘輝;王要兵;袁新生
• 申請（專利權）人: 海洋王照明科技股份有限公司;深圳市海洋王照明技術有限公司;深圳市海洋王照明工程有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 深圳市隆天聯鼎知識產權代理有限公司 44232
• 代理人: 劉抗美;劉耿

技術領域

本發明涉及電化學領域，尤其涉及一種硼摻雜石墨烯及其制備方法。本發明還涉及該硼摻雜石墨烯作為電極材料在電化學電容器或鋰離子電池中的應用。

背景技術

二十世紀九十年代，碳材料作為儲能材料的使用推動了超級電容器、鋰離子電池的大力發展。而石墨烯作為一種新型碳材料，自從2004年被發現以來，由于其二維單分子層結構以及優異的物理性質，如高的理論比表面積、優異的機械強度、良好的柔韌性和高的電導率等，將給能源等領域中的材料帶來變革。而且石墨烯非常容易衍生化，其衍生物也受到研究者的廣泛關注，目前石墨烯衍生物主要有氮摻雜石墨烯和硼摻雜石墨烯。其中硼摻雜石墨烯由于硼原子比碳原子外層少一個電子，呈P-型摻雜，相比石墨烯具有更好的儲能性能，且硼摻雜石墨烯的硼含量越高，儲能性能越好。目前，容易實現大規模工業化制備硼摻雜石墨烯的方法為高溫熱摻雜法，而這種方法制備的硼摻雜石墨烯目前面臨的兩個最大問題是硼含量較低和硼摻雜不均勻。

發明內容

本發明的目的在于解決上述現有技術存在的問題和不足，提供一種硼摻雜石墨烯及其制備方法與該硼摻雜石墨烯作為電極材料在電化學電容器或鋰離子電池中的應用。

本發明針對上述技術問題而提出的技術方案為：一種硼摻雜石墨烯的制備方法，包括如下步驟。

(a)?制備氧化石墨烯：將氧化石墨分散在去離子水中，超聲后過濾，烘干過濾物后得到氧化石墨烯。

(b)?制備硼摻雜石墨烯：將步驟(a)中所制備的氧化石墨烯與硼酸按質量比1~5:2~10混合均勻，置于惰性氣體氛圍下，將混合物周圍的溫度升至900～1100°C升溫還原再降至室溫即得到硼摻雜石墨烯。

(c)?硼摻雜石墨烯的純化：將步驟(b)中所制備的硼摻雜石墨烯置于100ml?3mol/L的氫氧化鈉溶液中，攪拌2小時后過濾得固體產物，再用去離子水洗滌過濾后的固體產物，直至PH值呈中性，再將固體產物置于60°C的真空烘箱中干燥12小時。

在所述步驟(a)中，所述氧化石墨分散在去離子水中得到的溶度為0.5～2mg/ml；所述超聲的時間為1～2小時；所述烘干是在溫度40°C的真空烘箱中進行，烘干時間為12小時。

在所述步驟(b)中，所述氧化石墨烯與硼酸用無水乙醇作為溶劑混合均勻后攪拌直至無水乙醇揮發完全；所述惰性氣體的流速為200～400ml/分鐘，升溫速率為5°C/分鐘；所述氧化石墨烯升溫到900～1300°C后需保持2~4小時。

在所述步驟(a)中，所述氧化石墨采用如下方法制得：將純度99.5%的石墨加入到質量分數為98%的濃硫酸和質量分數為65%的濃硝酸組成的混合溶液中，攪拌后向所述混合溶液中加入高錳酸鉀并加熱氧化，再加入質量分數30%的過氧化氫溶液攪拌以除去高錳酸鉀，然后對所述混合溶液進行抽濾得抽濾物，再依次用稀鹽酸和去離子水對所述抽濾物洗滌干燥后即得到所述氧化石墨。所述石墨、所述濃硫酸、所述濃硝酸、所述高錳酸鉀及所述過氧化氫的質量體積比為1-5g：90-200ml：20-100ml：6-20g：9-30ml。所述干燥在60°C下的真空烘箱中進行，所述干燥的時間為12小時。

本發明還包括通過上述制備方法制得的硼摻雜石墨烯以及該硼摻雜石墨烯在電化學電容器或鋰離子電池中作為電極材料的應用。

本發明制備硼摻雜石墨烯的方法優點在于：利用硼酸作為硼源，所制備的硼摻雜石墨烯硼含量較高，并可在一定范圍內通過調節硼酸的含量調節硼的含量，且硼摻雜較均勻；所使用的高溫摻雜法設備、工藝簡單，便于操作，原料廉價成本低，容易實現大規模工業化生產。

具體實施方式

以下結合實施例，對本發明予以進一步地詳盡闡述。以下實施例是用于說明本發明，以指導本領域技術人員實現本發明，本實施例不以任何方式限制本發明。

硼摻雜石墨烯的制備：本發明的硼摻雜石墨烯的具體制備工藝流程如下：石墨→氧化石墨→氧化石墨烯→硼摻雜石墨烯→硼摻雜石墨烯的純化。

具體制備過程大致分為以下步驟。

(1)?制備氧化石墨：將純度99.5%的石墨加入到質量分數為98%的濃硫酸和質量分數為65%的濃硝酸組成的混合溶液中，攪拌后向所述混合溶液中加入高錳酸鉀并加熱氧化，再加入質量分數30%的過氧化氫溶液攪拌以除去高錳酸鉀，然后對混合溶液進行抽濾得抽濾物，再依次用稀鹽酸和去離子水對抽濾物洗滌、干燥后即得到氧化石墨，氧化石墨在60°C下真空烘箱中干燥，干燥時間為12小時。