[發(fā)明專利]具有超高儲鋰容量的氮摻雜石墨烯的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310362785.2
• 申請日: 2013-08-19
• 公開（公告）號: CN103449419A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫靜;杜萌;高濂
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優(yōu)麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯的制備領(lǐng)域，具體涉及一種從氮摻雜氧化石墨烯水熱法還原制備氮摻雜石墨烯的方法。

背景技術(shù)

石墨烯因其超大的比表面積、高導熱導電性和強的楊氏模量已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。特別是在鋰離子電池領(lǐng)域，石墨烯與其他物質(zhì)結(jié)合，如金屬氧化物、金屬硫化物等等，已經(jīng)取得了優(yōu)異的電學性能。石墨烯提供了高效的導電網(wǎng)絡(luò)，而且使其負載的物質(zhì)有了更高的穩(wěn)定性，從而使石墨烯基復(fù)合材料表現(xiàn)出了更高的儲鋰容量和循環(huán)穩(wěn)定性。

目前，有關(guān)石墨烯的摻雜也得到了人們的大量研究。摻雜物有硼、氮、氣體、金屬和有機分子等等，摻雜后的石墨烯化學活性和電性能方面得到了更大的提高。在眾多摻雜之中，氮摻雜石墨烯得到了最多的關(guān)注，相比于未摻雜的石墨烯，氮摻雜石墨烯擁有更多的活性區(qū)域，這樣更有利于其表面的嵌鋰/脫鋰的發(fā)生。在鋰離子電池領(lǐng)域，還原的氧化石墨烯是用作復(fù)合材料最常見的基底，但是弱導電性限制了其作為導電網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，而氮摻雜石墨烯中的氮原子可以通過提供更多的電子云密度來提高導電性。但是目前報道中氮摻雜石墨烯的做法均較為復(fù)雜，都要有摻氮的過程，無論是單獨使用還是與其他物質(zhì)復(fù)合均使步驟復(fù)雜化。

Journal?of?Materials?Chemistry2011,21(14),5430公開了一種氣氛爐熱處理法制備氮摻雜石墨烯的過程，在800℃氨氣氣氛下熱處理2小時，使得氮原子的摻雜量達到了2%，該方法制備的氮摻雜石墨烯在充放電電流密度為42mA/g的情況下，處理容量達到900mAh/g。

ACS?Nano2011,5,5463公開了一種氣氛爐熱處理法制備氮摻雜石墨烯的過程，該方法將氧化石墨烯在600℃氨氣氣氛下熱處理了2小時，得到的氮摻雜石墨烯在50mA/g的電流密度下經(jīng)過30次循環(huán)，容量達到872mAh/g，遠遠超過未摻雜石墨烯的638mAh/g容量。

CN102120572B公開一種氮摻雜石墨烯的制備方法，其將氧化鈦的石墨烯和三聚氰胺混合研磨后置于密閉惰性氣體中加熱于700～1200℃下的進行高溫熱還原和氮摻雜反應(yīng)制得氮摻雜石墨烯，該法處理溫度高。又，CN102167310B公開一種水熱法制備氮摻雜石墨烯材料的方法：將氧化石墨烯溶于溶劑中，加入表面活性劑后混合均勻，再加入含氮化合物后再100～190℃下水熱反應(yīng)制得氮摻雜石墨烯。該法需要表面活性劑，而且氧化石墨烯的分散需要進行復(fù)雜的超聲分散或者加熱攪拌法進行。

發(fā)明內(nèi)容

面對現(xiàn)有氮摻雜技術(shù)存在的問題，本發(fā)明人在此提出通過在制備氧化石墨烯的過程中引入氮源制得氮摻雜氧化石墨烯作為前驅(qū)體，再通過直接水熱還原制備氮摻雜石墨烯材料。這樣，省去了傳統(tǒng)的后處理摻氮過程，工藝更為簡單，應(yīng)用更為廣泛，只需將本發(fā)明中的氮摻雜氧化石墨烯用傳統(tǒng)還原氧化石墨烯的方法處理即可得到氮摻雜石墨烯材料。

在此，本發(fā)明首先提供一種具有超高儲鋰容量的氮摻雜石墨烯的制備方法，包括：

步驟A：在制備氧化石墨烯的過程中引入氮源，制得氮摻雜氧化石墨烯；以及

步驟B：于180～200℃水熱處理所述氮摻雜氧化石墨烯制得所述氮摻雜石墨烯。

本發(fā)明的制備方法通過在傳統(tǒng)的制備氧化石墨烯的步驟中引入氮源，從而制得氮摻雜氧化石墨烯，并將其高溫水熱得到了氮摻雜石墨烯材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可控性高，重復(fù)性好，適合規(guī)模生產(chǎn)，并且制得的材料可直接應(yīng)用，省去了傳統(tǒng)的后處理摻氮過程，使得制備方法相對簡單。

較佳地，所述步驟A包括：混合所述石墨粉、高錳酸鉀、硝酸鈉和濃硫酸，再向其中加入所述氮源，于30～40℃下進行第一階段反應(yīng)12～36小時，再升溫至80～90℃，進行第二階段反應(yīng)0.5～2小時。

較佳地，在所述步驟A中，所述石墨粉、高錳酸鉀、硝酸鈉和濃硫酸的比例可為（1g）：（3g）：（0.5-1g）：（46-50mL）。

較佳地，在所述步驟A中，可先將石墨粉和硝酸鈉加入到濃硫酸中，然后分批加入高錳酸鉀。

較佳地，在所述步驟A中，可在0～4℃下加入高錳酸鉀。

較佳地，在所述步驟A中，可在0～4℃下加入所述氮源。

較佳地，在所述步驟A中，升溫至80～90℃后加入水再進行所述第二階段反應(yīng)，其中加入的水和濃硫酸的體積比為2：1。

較佳地，在所述步驟A中，所述第二階段反應(yīng)結(jié)束后加入濃度為30%的雙氧水結(jié)束反應(yīng)，加入的雙氧水和濃硫酸的體積比為2：1。

較佳地，所述氮源可為三聚氰胺、和/或尿素。

較佳地，所述水熱反應(yīng)的時間可為4～8小時。

附圖說明