[發明專利]一種氮硫雙摻雜三維石墨烯的制備方法

在審

• 申請號: 201910084745.3
• 申請日: 2019-01-29
• 公開（公告）號: CN109626364A
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 馮忠寶;王琳;邢鵬飛;都興紅;李大綱;閆姝
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉;梅洪玉

本發明公開了一種氮硫雙摻雜三維石墨烯的制備方法，解決了現有技術成本較高、工藝復雜及產率較低等問題。本發明主要步驟為將碳前驅體、溶劑、摻雜劑及模板劑混合，進行水熱反應，隨后進行炭化、去除模板等工藝制備出具有三維結構的多孔石墨烯材料。本發明的產品比表面積為400～1500m²/g，層數為3～20層，電阻率小(20～50Ω·m)，產率高(40～60％)，孔徑分布較為均勻；且制作工藝簡單，成本低，易于工業化生產。

技術領域

本發明屬于功能納米材料領域，具體涉及一種氮硫雙摻雜三維石墨烯的制備方法。

背景技術

石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道結合且只有單原子層厚度的二維材料，是構成碳質材料的基本單元，因具有高導電性、大的比表面積及其高的熱傳導性而被廣泛應用于燃料電池、超級電容器、傳感器等器件中，已成為研究熱點。但傳統石墨烯層間存在著較強的范德華力和π—π鍵，而導致石墨烯發生不可逆堆疊，褶皺和團聚，因此導電性和比表面積都有所降低，故無法滿足實際應用需求，在一定程度上限制了其應用。為了解決這一問題，構建具有一種氮硫雙摻雜三維石墨烯，利用其獨特的多孔結構及優良的內在性能(具有較大的比表面積，長時間工作穩定性)，從而提高石墨烯的電學性能。

目前，氮硫雙摻雜三維石墨烯的制備方法主要有以下兩種：1.自組裝法，是一種自上而下的納米材料的制備方法，一般以氧化石墨烯為原料，加入交聯劑，在高溫反應釜中發生交聯反應，從而完成三維石墨烯的自組裝過程。但此方法容易造成環境污染，不利于大產量制備，商業化受到了一定的限制。2.模板法，一般以銅、鎳、銀等作為模板，石墨為碳源，制備出的三維網狀石墨烯具有較高的孔隙率和大的比表面積，有利于電解液的擴散及離子的傳輸。但所用的模板為銅、鎳、銀等貴金屬，價格昂貴，并且后期需要對模板進行刻蝕，從經濟和環境方面限制了其大規模商業化的應用。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種低成本的氮硫雙摻雜三維石墨烯的制備方法，該方法制備工藝簡單，原料來源豐富并且價格低廉，獲得三維多孔的石墨烯，具有比表面積大，產率高，電阻率小及導電性好等優點。

具體技術方案為：

一種氮硫雙摻雜三維石墨烯的制備方法，按以下步驟進行：

(1)將碳前驅體、溶劑、摻雜劑按照質量比1～5:0.1～10:0.1～5，加入到高壓反應釜中，攪拌均勻，在120～200℃下反應4～8h；

(2)冷卻到室溫后，加入模板劑，模板劑與碳前驅體質量比為0.1～5，60～120℃水熱反應2～4h后充分洗滌，取出干燥；

(3)將干燥后的原料放在氣氛爐中，然后升溫到800～1200℃，預定溫度保溫1～3h；其中升溫速率為1～5℃/min，保護氣氛為惰性氣體；

(4)將步驟(3)中的產物進行去除模板：將步驟(3)中的產物置于酸中攪拌，經過酸洗、醇洗和水洗至中性，而后放入60～100℃，真空干燥4～6h；其中酸為：鹽酸、磷酸、醋酸、硫酸中的一種；酸液的濃度為1～3mol/L。

進一步地，上述步驟(1)中碳前驅體5～50mg、溶劑20～80mL、摻雜劑2～20mg混合。

進一步地，上述步驟(1)中所采用的碳前驅體為蔗糖、葡萄糖、麥芽糖、瀝青、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛樹脂、聚酯樹脂、環氧樹脂、甘油醛中的一種或兩種以上。

進一步地，上述步驟(1)中所采用的溶劑是去離子水、乙醇、異丙醇、甘油、正丁醇、N,N-二甲基吡咯烷酮、乙二胺中的一種。

進一步地，上述步驟(1)中所采用的摻雜劑為硫脲、甲硫氧嘧啶、丙硫氧嘧啶、甲巰咪唑、卡比馬唑、4-塞唑啉酮、2-取代亞胺基-4-塞唑啉酮中的一種。