[發(fā)明專利]一種硅摻雜的石墨烯氣凝膠及其制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112479188B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姜立運;于琦;蔣劍超;任帥;張永宏
• 申請（專利權(quán)）人: 陜西理工大學(xué)
• 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(zé)任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

本發(fā)明提供了一種硅摻雜的石墨烯氣凝膠及其制備方法和應(yīng)用，是硅摻雜石墨烯氣凝膠的制備及其電化學(xué)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(wěn)定高性能的硅摻雜石墨烯氣凝膠。本發(fā)明通過水熱反應(yīng)獲得的產(chǎn)物具有特殊的三維多孔結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(xué)性能。

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于高性能超級電容器技術(shù)領(lǐng)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(yīng)用。

【背景技術(shù)】

石墨烯是一種單原子層厚度的二維碳材料(0.334nm)，穩(wěn)定且特殊的晶體結(jié)構(gòu)決定了石墨烯擁有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、大表面積、良好的機械性能和易改性的表面化學(xué)，與傳統(tǒng)的多孔碳材料相比，石墨烯具有高的電導(dǎo)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(yīng)用在電子器件中會產(chǎn)生低開關(guān)比和大漏電流，嚴(yán)重制約了其功能化發(fā)展，因此，進行非金屬雜原子的摻雜可以調(diào)整石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，進一步提升石墨烯氣凝膠的性能，被認(rèn)為是極具應(yīng)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(jié)構(gòu)，并在納米孔中填充氣態(tài)分散介質(zhì)的三維多孔超輕固體材料。碳質(zhì)氣凝膠作為一種新型的非晶態(tài)納米材料，具有比表面積大、孔隙率高和物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，尤其適合作為催化劑及其載體，此外，碳質(zhì)氣凝膠具有極好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。石墨烯氣凝膠是一種由二維石墨烯片構(gòu)建而成的宏觀三維多孔結(jié)構(gòu)。不僅兼具了石墨烯和氣凝膠的優(yōu)異特點，并且擁有更加優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)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(xué)交聯(lián)法和3D打印技術(shù)。如何能夠提升石墨烯氣凝膠的電化學(xué)性能，擴大石墨烯氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域，使得該材料能夠得到充分的應(yīng)用是需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)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(yīng)用，以解決現(xiàn)有技術(shù)中缺少提升石墨烯氣凝膠的電化學(xué)性能，擴大石墨烯氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

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?yōu)榈S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(yīng)后將產(chǎn)物晾干后真空干燥，得到硅摻雜的石墨烯氣凝膠。

本發(fā)明的進一步改進在于：

優(yōu)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(yōu)選的，步驟1中，1g的天然石墨烯粉對應(yīng)加入3g的高錳酸鉀。

優(yōu)選的，步驟1中，水浴加熱溫度為35～40℃，水浴加熱時間為30min。

優(yōu)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(yōu)選的，步驟3中，加入的二氧化硅質(zhì)量為GO分散液質(zhì)量的15％。

優(yōu)選的，步驟3中，水熱反應(yīng)溫度為180℃，水熱反應(yīng)時間為12h。