[發明專利]一種硅摻雜的石墨烯氣凝膠及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202011325444.4
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112479188B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 姜立運;于琦;蔣劍超;任帥;張永宏
• 申請（專利權）人: 陜西理工大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C01B32/198;H01G11/32;H01G11/30;H01G11/24;H01G11/86
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

本發明提供了一種硅摻雜的石墨烯氣凝膠及其制備方法和應用，是硅摻雜石墨烯氣凝膠的制備及其電化學性能研究，以氧化石墨烯為碳源，以二氧化硅為硅源，配制不同濃度的石墨烯分散液；利用一步水熱合成法了穩定高性能的硅摻雜石墨烯氣凝膠。本發明通過水熱反應獲得的產物具有特殊的三維多孔結構，硅摻雜石墨烯氣凝膠表面相互連通的介孔抑制了石墨烯片層的團聚現象，進而大幅提升了宏觀石墨烯材料的比表面積。同時，這種層次分明的三維多孔結構能夠提升離子傳輸效率，從而提高硅摻雜石墨烯氣凝膠作為超級電容器電極的電化學性能。

【技術領域】

本發明屬于高性能超級電容器技術領域，具體涉及一種硅摻雜的石墨烯氣凝膠及其制備方法和應用。

【背景技術】

石墨烯是一種單原子層厚度的二維碳材料(0.334nm)，穩定且特殊的晶體結構決定了石墨烯擁有優異的導熱性、導電性、大表面積、良好的機械性能和易改性的表面化學，與傳統的多孔碳材料相比，石墨烯具有高的電導率(10⁴～10⁶S/m)、大的比表面積(～2675m²/g)、高楊氏模量(～1TPa)和高斷裂強度(～130GPa)等特性，本征石墨烯官能團較少且與有機溶劑相容性較差，應用在電子器件中會產生低開關比和大漏電流，嚴重制約了其功能化發展，因此，進行非金屬雜原子的摻雜可以調整石墨烯的能帶結構，進一步提升石墨烯氣凝膠的性能，被認為是極具應用前景的超級電容器。

氣凝膠材料一般是指納米顆粒聚集形成納米孔結構，并在納米孔中填充氣態分散介質的三維多孔超輕固體材料。碳質氣凝膠作為一種新型的非晶態納米材料，具有比表面積大、孔隙率高和物理化學性質穩定等優點，尤其適合作為催化劑及其載體，此外，碳質氣凝膠具有極好的導熱性和導電性。石墨烯氣凝膠是一種由二維石墨烯片構建而成的宏觀三維多孔結構。不僅兼具了石墨烯和氣凝膠的優異特點，并且擁有更加優異的導電性、導熱性和機械強度。石墨烯氣凝膠的主要制備方法包括：原位組裝法、模板法、化學交聯法和3D打印技術。如何能夠提升石墨烯氣凝膠的電化學性能，擴大石墨烯氣凝膠的應用領域，使得該材料能夠得到充分的應用是需要解決的問題。

【發明內容】

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種硅摻雜的石墨烯氣凝膠及其制備方法和應用，以解決現有技術中缺少提升石墨烯氣凝膠的電化學性能，擴大石墨烯氣凝膠的應用領域的技術問題。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

一種硅摻雜的石墨烯氣凝膠制備方法，包括以下步驟：

步驟1，混合天然石墨粉和濃硫酸，攪拌后加入硝酸鈉，形成混合物A，混合物A冷卻至0℃后加入高錳酸鉀，水浴加熱后形成漿狀物B；

步驟2，在漿狀物B中加入去離子水和H₂O₂，待混合物由棕色變為淡黃色的混合溶液C后，將混合溶液C通過稀鹽酸洗滌，將洗滌后的混合溶液C離心，將離心后的溶液在水中超聲分散，得到GO分散液；

步驟3，將GO分散液和二氧化硅混合后，水熱反應后將產物晾干后真空干燥，得到硅摻雜的石墨烯氣凝膠。

本發明的進一步改進在于：

優選的，步驟1中，天然石墨粉和濃硫酸的混合比例為1g：23mL，加入的硝酸鈉為0.5g。

優選的，步驟1中，1g的天然石墨烯粉對應加入3g的高錳酸鉀。

優選的，步驟1中，水浴加熱溫度為35～40℃，水浴加熱時間為30min。

優選的，驟2中，所述超聲分散時間為3h，GO分散液的濃度為1～8mg/mL。

優選的，步驟3中，加入的二氧化硅質量為GO分散液質量的15％。

優選的，步驟3中，水熱反應溫度為180℃，水熱反應時間為12h。