[发明专利]一种利用壳聚糖制备含氮多级孔三维石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含氮多级孔三维石墨烯的制备方法，尤其涉及一种利用壳聚糖制备具备三维多级孔结构的含氮石墨烯的方法，属于材料制备领域。

背景技术

自从石墨烯被首次制备出来后，由于其独特的结构和光电性质受到了人们广泛的重视。石墨烯是由碳原子紧密堆积而成的具有二维蜂窝状晶格结构的一种碳质基本单元，可用来构建其它维数的碳质材料，如零维富勒烯，一维碳纳米管或三维石墨。石墨烯独特的二维结构，使其表现出优异的电学性能，优良的化学稳定性和热力学稳定性，以及物理性能和机械性能，已经在光电、传感器件、能源储备和转换、生物材料方面得到了广泛研究和应用。与此同时，石墨烯还具有高达2630m²/g的比表面积以及较高的电导率(64mS/cm)，使其可以作为理想的超级电容器电极材料。为了进一步提高石墨烯基超级电容器的比电容量，研究者们已通过制备多级孔结构和掺杂改善石墨烯的结构来提高其能量密度。

目前石墨烯的制备方法主要有石墨剥离(Novoselov,K.S.,et al,Science,2004,306,666)，外延生长(Forbeaux,I.,et al,Appl.Surf.Sci.,2000,162-163,406)，化学气相沉积法(Ruoff,R.S.,et al,Science,2009,324:1312)，石墨氧化法(Hummers,W.S.,et al,J.Am.Chem.Soc.,1958,80:133)等。但上述方法很难满足大规模、低成本、可控的合成和制备等要求，得到的石墨烯基本为本征石墨烯，其比表面积和表面结构均不理想，并且大都是由矿物原料转化而来的。因为化石资源的有限储量以及制备过程中对环境污染严重，使用可再生天然聚合物或农产品废弃物制备石墨烯对于可持续发展和环境保护是至关重要的。壳聚糖是甲壳素脱N-乙酰基的产物，是天然可再生生物聚合物，不仅价格低廉，环境友好，而且壳聚糖分子中含有氮元素，应用时不需要掺杂即能得到含氮的石墨烯。然而，经检索利用壳聚糖制备具备三维多级孔结构的含氮石墨烯的方法还未见报道。

发明内容

针对目前石墨烯电极材料制备过程中存在的问题，本发明提出了一种利用壳聚糖制备含氮多级孔三维石墨烯的方法。

本发明所述利用壳聚糖制备含氮多级孔三维石墨烯的方法，步骤是：

（1）利用壳聚糖粉制得壳聚糖气凝胶；

（2）碳化壳聚糖气凝胶，得到含氮的碳气凝胶；

（3）活化碳气凝胶，得到含氮的多级孔三维石墨烯；

其特征在于：

步骤（1）所述利用壳聚糖粉制得壳聚糖气凝胶的方法是：将壳聚糖粉以质量分数为2-4wt%的比例加入到去离子水中，搅拌1-2h，然后加入体积分数为1-2%的醋酸并搅拌至透明，得到溶胶；将溶胶静置3-5h后置于-80℃冷冻10-12h，然后放入冷冻干燥机中干燥48-52h，即得到壳聚糖气凝胶；

步骤（2）所述碳化壳聚糖气凝胶，得到含氮碳气凝胶的方法是：将步骤（1）得到的壳聚糖气凝胶放入管式炉中在N2保护气氛下以3℃/min的升温速度于700-1000℃碳化2-4h，即得到含氮的碳气凝胶；

步骤（3）所述活化碳气凝胶，得到含氮的多级孔三维石墨烯的方法是：将步骤（2）得到的含氮碳气凝胶研磨成粉后，以NaOH与含氮碳气凝胶的质量比为3:1-5:1的量将制得的含氮碳气凝胶粉加入到浓度为4-6wt%的NaOH溶液中，搅拌2-3h，得到含氮碳气凝胶与NaOH的混合液；然后将其置于80℃干燥直至混合液中水分完全蒸发，再转入管式炉中在N₂保护气氛下以5℃/min的升温速度于800-1000℃活化2-3h；用去离子水将活化后的含氮碳气凝胶抽滤洗至中性，然后置50℃干燥后即得到含氮的多级孔三维石墨烯。

上述利用壳聚糖制备含氮多级孔三维石墨烯的方法中：步骤（2）中所述碳化温度优选是800℃。

上述利用壳聚糖制备含氮多级孔三维石墨烯的方法中：步骤（3）中所述NaOH与含氮碳气凝胶的质量比优选为3:1。

上述利用壳聚糖制备含氮多级孔三维石墨烯的方法中：步骤（3）中所述活化温度优选是900℃。

本发明方法具有如下突出优点及效果：

①本发明选择了天然可再生生物聚合物壳聚糖为原料制备含氮的多级孔三维石墨烯，不但满足可持续发展和环境保护的需求，而且其来源丰富，价格低廉，有效的降低了原材料的成本。并且由于壳聚糖分子中含有氮元素，不需要掺杂就可以得到含氮的石墨烯。