[發明專利]一種氮、磷摻雜的NiP/石墨烯復合氣凝膠及其制備方法

在審

• 申請號: 201811510089.0
• 申請日: 2018-12-11
• 公開（公告）號: CN109701575A
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 喻發全;陳晨;王建芝;李輝;朱琳;薛亞楠
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/00;B01J35/04
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 楊立;徐蘇明

本發明涉及一種氮、磷摻雜的NiP/石墨烯復合氣凝膠及其制備方法，包括如下步驟：S1：一步水熱法制備氮摻雜的NiO/石墨烯氣凝膠三維復合材料；S2：制備氮、磷摻雜的NiO/石墨烯氣凝膠三維復合材料。本發明制備方法操作簡單、原料易得，反應條件容易達到，而且制得的三維網絡狀氣凝膠擁有多孔的結構，比表面積高，且較為致密，機械強度較好。三維交聯的孔結構以及碳骨架中氮、磷和NiP的摻雜增加了活性位點，使其可廣泛應用于鋰離子電池、超級電容器、水處理、電催化、光催化等各個領域。

技術領域

本發明涉及一種NiP/石墨烯復合氣凝膠及其制備方法，具體涉及一種氮、磷摻雜的NiP/石墨烯復合氣凝膠及其制備方法，屬于納米復合材料技術領域。

背景技術

石墨烯憑借其高比表面積(2630m²/g)、高導電性、高導熱性、優異的機械性能和化學穩定性等性能，被廣泛應用于環境、材料、電子等領域。另外，石墨烯因其高比表面積和豐富的邊緣缺陷，為催化反應提供了活性位點，在催化物質的還原過程中前景甚好。然而，石墨烯納米片之間的強π-π相互作用力導致石墨烯催化劑的團聚，使其實際比表面積遠低于理論值，遮蔽了大量催化活性位點，同時也不利于石墨烯復合材料的合成，直接和間接地影響了催化性能。石墨烯氣凝膠(GA)以石墨烯為骨架，形成以石墨烯為主體的三維多孔網絡結構。它兼具石墨烯的納米特性和氣凝膠的宏觀結構特性，GA獨特的結構和組成不僅能夠充分利用單片層石墨烯固有的理化性質，同時也解決了石墨烯片層間易團聚的難題，還賦予了它均勻密集的孔隙率。另外，進一步對石墨烯氣凝膠的修飾和改性，如采用摻雜和復合等手段能有效調變其微觀結構和性能。

(1)摻雜雜原子

雜原子(N,B,P,S)摻雜的碳材料由于其所具有的獨特物理、電化學性能，在過去的10多年間吸引了研究者們的大量注意力。近年來，無論是無金屬氧還原催化劑還是非貴金屬氧還原催化劑載體材料都可以使用雜原子碳材料作為原料。迄今為止，大部分人都將主要的注意力集中在氮摻雜碳材料上。通過高溫煅燒富氮聚合物、化學氣相沉積、等離子體處理多孔碳等方式實現雜原子摻雜。在實現摻雜后，材料可以兼具兩種材料的優勢。目前認為，碳材料的氧還原性能主要由于雜原子摻雜到共軛碳骨架后，破壞了碳骨架的電中性。正是基于這個原因，人們制備了B/N共摻雜碳納米管，材料顯示出了超常的氧還原催化活性，與商用Pt/C催化劑相比，其具有很好的長時間穩定性，對甲醇、一氧化碳等燃料都具有很好的選擇性和耐受性。但是，一些參數如起始電位、極限擴散電流都需要進一步提高。除了B/N共摻碳材料，P/N、Cl/N和S/N共摻雜材料,近期都被報道制備成功，并具有較好的氧還原電化學活性，但是目前仍存在制備條件復雜、產量低等缺點。

(2)復合納米粒子

此外，雜原子摻雜石墨烯在電解液中的比電容較低，可以將石墨烯與其他材料進行復合來提高石墨烯材料在電解質的比電容。因此，石墨烯與金屬氧化物組合成二元或三元復合材料，利用優勢互補。

近年來，過渡金屬磷化物由于其良好的催化性能，電學性能和磁學性能受到了人們的廣泛關注。過渡金屬磷化物的物理性質與過渡金屬碳化物和氮化物很相似，故其具有良好的高強度，高硬度，化學穩定性和熱穩定性。另外，由于過渡金屬磷化物同時具有金屬及半導體特性，且其電解水產氫活性高、穩定性好、以及pH耐受限寬廣，這些優勢使其在電學，力學，磁學，抗腐蝕等方面具有潛在應用。鎳在地殼中含量豐富(僅次于氧、硅、鋁、鐵、鎂)，具有磁性和良好的可塑性，而NiP有良好的耐腐蝕性能以及極強的耐磨損和抗氧化特征，且NiP在達到納米尺度時，具有較強的尺度和塑性，其比熱也較大，納米晶的熱膨脹系數幾乎可達到單晶的兩倍。另外，通過調節表面活性的了類型，使得NiP獲得不同類的介孔結構。構建NiP/GA后，帶有介孔的納米負載在帶有微孔和大孔的GA中，NiP和GA發生協同效應，一方面，增大了GA中石墨烯的間距，形成了多層次孔級結構，另一方面，NiP附著在GA的內壁后，增加大量的活性位點，同時避免了自身的團聚，易于操作。

發明內容