[發明專利]一種激光誘導固相制備非金屬摻雜多孔石墨烯材料的方法

在審

• 申請號: 202211218714.0
• 申請日: 2022-10-07
• 公開（公告）號: CN115709990A
• 公開（公告）日: 2023-02-24
• 發明（設計）人: 張萌萌;祝田田;白鑫剛;黃珂欣;牛秉軒;金彩霞;朱凱博;焦云娟;趙繁榮;武大鵬
• 申請（專利權）人: 新鄉醫學院;河南師范大學
• 主分類號: C01B32/194
• 分類號: C01B32/194
• 代理公司: 新鄉市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 41139
• 代理人: 路寬

本發明公開了一種激光誘導固相制備非金屬摻雜多孔石墨烯材料的方法，將氧化石墨烯粉體與非金屬元素無機鹽類化合物混合均勻得到混合樣品；將混合樣品轉移至安瓿瓶中并固定在旋轉電機上，在安瓿瓶內通入氬氣/氫氣混合氣并置于激光器下，用激光掃描安瓿瓶中的混合樣品。用酸性溶液浸泡激光處理后的樣品后，再用去離子水洗滌并冷凍干燥后得到非金屬摻雜多孔石墨烯材料。本發明所提出的工藝方法實現了激光對粉體材料的均一表面處理和改性，方案簡單易行，重復性好，制備周期短，工藝簡便，易于大規模生產。同時本發明制備出的氮摻雜石墨烯材料催化、儲能性能高且具有良好的穩定性，具有良好的應用前景。

技術領域

本發明屬于儲能電池器件用的無機納米材料的制備技術領域，具體涉及一種激光誘導固相制備非金屬摻雜多孔石墨烯材料的方法。

背景技術

隨著化石能源危機的到來和環境污染問題的日益嚴重，清潔能源的開發利用迫在眉睫。作為清潔能源的電能也不例外，碳基復合材料是實現微型、柔性超級電容器大規模應用的關鍵電極材料。但是石墨烯作為儲能電極材料存在電化學活性較低的缺陷。因此，提高石墨烯的電化學活性成為一個新的研究方向。通過引入非金屬雜原子、改變石墨烯的空間結構，可以大幅改善石墨烯的導電性、催化活性和儲能活性。作為與C相鄰的N，更容易與石墨烯的C原子作用，取代原來C原子的位置，從而改變石墨烯的微觀結構，進而提高其電化學活性、催化活性及儲能活性。

非金屬摻雜石墨烯的研究具有很高的科學和應用意義，目前制備氮摻雜石墨烯材料的方法主要有高溫還原法、溶劑熱法、微波法、化學氣相沉積法、激光法等。例如公開號為CN110931736A的專利文獻公開了水熱法制備氮摻雜石墨烯電極材料的方法，其中要求水熱反應溫度為160-200℃，反應時間為12-24h，退火溫度為600-800℃，退火時間為600-800℃，該方法能源消耗較高且制備周期較長。公開號為CN113479872A的專利文獻公開了氮摻雜石墨烯電極材料的制備采用一步水熱法，在制備過程中需要用過氧化氫對石墨烯進行預處理，利用較高的溫度達到摻雜的目的，操作相對較為繁瑣且最終獲得的產物為水凝膠。公開號為CN114360926A的專利文獻公開了一種微波法制備氮摻雜層狀石墨烯電極的方法，微波功率為600-1000W，在制備過程中將樣品混合后，需要對樣品進行干燥，時間為48h，耗時較長。

激光法被應用于制備石墨烯基復合材料。例如公告號為CN104058389B的專利公開了一種激光法制備硼摻雜石墨烯的方法，利用激光摻雜設備工藝簡單，但在制備過程中反應在液相中進行，而且需要用到質量分數為98%的濃硫酸以及質量分數為65%的濃硝酸，故此危險系數較大，對環境的危害也很嚴重，同時溶液中樣品對激光也會造成激光功率的浪費。對于化學氣相沉積法制備氮摻雜石墨烯而言，實驗過程對設備要求較高，不適宜大規模制備且能耗較高。

通過激光法也可以制備石墨烯與金屬鹽的復合材料。例如公開號為CN110586156A的專利文獻公開了一種激光輻照合成介孔氮摻雜石墨烯負載二硫化鉬的制備方法，先將氧化石墨烯分散在無水乙醇中用激光脈沖處理20-30min，并進行冷凍干燥，用N,N-二甲基甲酰胺作為氮源摻雜，并混入四硫代鉬酸采用水熱法反應12-16h后再次冷凍干燥得到產品。制備過程需要在溶液中對樣品激光處理，能量損耗嚴重，且進行兩次冷凍干燥，操作繁瑣。公開號為CN11422914A的專利公開一種激光誘導石墨烯負載鐵摻雜二硫化鈷的制備方法，先對實驗原料進行預處理，包括對石墨烯的激光處理和Fe-CoS₂的預處理，再采用水熱還原法得到產物。步驟較多對樣品的處理較為繁瑣，且對樣品要求較高。公告號為CN109289892B的專利文獻公開了一種錳基莫來石/氮摻雜石墨烯復合含氧催化劑的方法，該方法對莫來石懸浮液進行激光預處理，干燥后與氧化石墨烯和碳酸氫銨混合，水熱反應10-15h后的液體再次干燥，對再次干燥的樣品分散在去離子水中進行二次激光處理，洗滌干燥后可得到產品。制備過程需要兩次激光處理樣品懸液且水熱法耗時較長，不適宜大規模生產。