[發明專利]一種高性能氮摻雜三維石墨烯的制備方法

有效

• 申請號: 201610184640.1
• 申請日: 2016-03-28
• 公開（公告）號: CN105645403B
• 公開（公告）日: 2018-06-22
• 發明（設計）人: 閔永剛;肖壯清;申佳欣;馮亞飛
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;H01G11/32;H01G11/86
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

本發明涉及石墨烯材料的合成技術領域，提供一種氮摻雜石墨烯的制備方法。所述方法具體包括如下步驟：采用改進Hummers法制備連續大片氧化石墨烯；利用水熱法將氧化石墨烯制備多孔三維結構石墨烯；將多孔三維石墨烯超聲分散到PH值1～5的酸性溶液中，然后加入苯胺攪拌均勻，接著加入過硫酸銨繼續攪拌均勻，將所得混合液轉移到聚四氟乙烯的容器中進行水熱反應，得到多孔三維石墨烯?聚苯胺復合物；在氮氣保護下，高溫處理，聚苯胺分解出氮源，得到氮摻雜多孔三維石墨烯。上述方法除了能夠制備高含氮量的氮摻雜石墨烯，還能保持三維石墨烯的結構，所得氮摻雜多孔三維石墨烯具有良好的電化學性能，非常適合制備超級電容器，且便于操作，有利于工業化推廣。

技術領域

本發明涉及石墨烯材料的合成技術領域，特別涉及一種高性能氮摻雜石墨烯的制備方法。

背景技術

石墨烯是由碳的單原子層構成的二維蜂窩狀網絡結構，是構成其他石墨材料的基元。石墨烯的基本結構單元為苯六元環，是目前最理想的二維納米材料。石墨烯已接近完美物質，但是為擴展其在能源、環境及生物等領域的實際應用，需要把二維的石墨烯自組裝成為三維的石墨烯結構。這樣的三維結構除擁有石墨烯本身的一些性能之外，還具有自己獨特的特點。

三維石墨烯是由碳的單原子層堆垛而成，具有比二維石墨烯更優異的導電性、大的比表面積以及多孔結構。獨特的三維結構使石墨烯組裝體具有多孔性、柔韌性、層壓式、傳質性等性質。二維石墨烯的表面能雖然較高，但容易發生團聚，而三維網狀石墨烯穩定性較好、比表面積大且利用率高，能增加電解質對電極材料的浸潤性，并提高電極的儲電能力。三維石墨烯及其復合材料在能源、環境、催化等方面具有比二維石墨烯材料更優越的性能及更廣闊的應用。基于此，我們在三維石墨烯中引入氮元素，利用氮取代石墨烯上的碳原子，制備出氮摻雜三維石墨烯，可以大大提高三維石墨烯的儲能性能。目前，人們對于氮摻雜三維石墨烯的制備方法的研究主要包括下述幾個方向，包括氣相沉積法、溶劑熱法、熱處理法、等離子法等。氣相沉積法能生成較為均一的大面積薄膜和摻雜較為均勻的氮摻雜石墨烯，可控性較好，但氣源和余氣一般具有毒性，操作過程繁瑣，設備要求較為嚴苛，產量較少，生產成本高。溶劑熱法操作方便，條件溫和，安全性較高，產量大，也是目前為大家最廣泛應用的一種方法。但是，氮摻雜的均一性較差，摻雜率的可控性較差。熱處理法是一種簡潔，高效制取氮摻雜石墨烯的方法，但是得到的氮含量較低，對溫度和反應時間的把控較為嚴苛。等離子法對設備，實驗條件有著嚴苛的要求。

但目前三維石墨烯上的氮摻雜數量有限，這極大限制了氮摻雜三維石墨烯的應用。由此可見，制備出含氮量較高的氮摻雜三維石墨烯是所屬技術領域急需解決的技術問題。本發明提供了一種制備方法，能夠獲得含氮量較高的高性能的氮摻雜三維石墨烯。

發明內容

鑒于現有技術中存在上述技術問題，本發明提出一種含氮量較高的氮摻雜三維石墨烯的制備方法，所述制備方法，通過先將膨脹石墨剝離成氧化石墨烯，利用簡單的水熱法制備三維石墨烯，并與苯胺制備成氧化三維石墨烯-聚苯胺復合物，使三維石墨烯中的氧與苯胺中的氮元素形成化合鍵，再將三維石墨烯-聚苯胺復合物在高溫下裂解，氮元素則與碳元素形成鍵合，與此同時，還能起到部分骨架作用，支撐三維石墨烯的孔在高溫下保持原樣，得到多孔的氮摻雜三維石墨烯結構。本發明所采用的技術方案具體如下：

本發明提供一種一種高性能氮摻雜多孔三維石墨烯的及其制備方法，所述方法包括如下步驟：

步驟S1：使用石墨制備氧化石墨烯；

步驟S2：使用氧化石墨烯制備三維石墨烯水凝膠：按照質量體積比為1～2mg:1ml，將氧化石墨烯加入到去離子水中，經過超聲處理，配置成氧化石墨烯水溶液，然后將氧化石墨烯水溶液轉移到聚四氟乙烯的容器中，放在反應釜中進行水熱反應，冷卻后得到三維石墨烯水凝膠；