[发明专利]一种三维氮硼共掺杂石墨烯气凝胶的制备方法

说明书

本发明公开了一种三维氮硼共掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，该方法包括以下步骤：(1).氧化石墨烯的制备采用了改良的Hummers方法；(2).多羟基氮化硼的制备采用了原子置换的方法；(3).以氧化石墨烯为基底，以多羟基氮化硼为氮源和硼源，通过溶剂热法制备具有三维结构的氮硼共掺杂石墨烯水凝胶，再经冷冻干燥即得复合气凝胶，相对于纯的石墨烯凝胶，复合材料表现出更大的比表面积，更好的孔道结构；同时氮、硼原子的掺杂使材料具有更多的活性位点，具有广泛应用前景。

技术领域

本发明涉及一种三维氮硼共掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，属于功能材料领域。

技术背景

石墨烯片层的无规则堆积形成的石墨烯气凝胶是石墨烯三维结构的一种，该石墨烯气凝胶具有导电性好、比表面积高、孔隙率高、孔结构尺寸可调、密度低和吸附性能好等特点。在能量储存、催化剂和环境保护领域具有巨大的应用潜力。但石墨烯气凝胶作为一种几乎纯碳的材料（含有少量的氧、氢）在应用过程中提供的活性位点较少，严重限制了石墨烯气凝胶的性能。

纯的石墨烯气凝胶中的活性位点主要来源是材料中的缺陷部位（如边缘、边界、无序）。为了增加石墨烯气凝胶的活性位点，对石墨烯气凝胶进行杂原子（N,B,S,P等）掺杂、功能改性是目前常用的方法。杂原子掺杂石墨烯凝胶是通过向石墨烯凝胶骨架结构中引入不同的杂原子而制备的复合材料，该材料在继承石墨烯气凝胶各种优点的基础上，由于杂原子的引入改变了材料的电荷分布和电子特性，引起相邻碳原子间的结构缺陷，增加材料中的活性位点，同时具有改善材料的酸碱性的作用，从而增加石墨烯材料的应用性能。单一原子掺杂石墨烯气凝胶的研究已被广泛报道，例如，Zongsheng Hou 等人以氧化石墨烯和邻苯二甲腈为原料，通过水热和高温处理制得具有氮掺杂的石墨烯气凝胶N-Gs样品（Zongsheng Hou, Yeqing Jin, Xin Xi, Tao Huang, Dongqing Wu, Peimin Xu andRuili Li, J. Colloid Interface Sci., 2016, 488, 317-321）；Zhuyin Sui 等人以氧化石墨烯和氨水为原料，通过水热还原制得具有氮掺杂的石墨烯气凝胶NGA样品（ZhuyinSui, Yuena Meng, Peiwen Xiao, Zhiqiang Zhao, Zhixiang Wei and Baohang Han，AcsAppl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 1431-1438）；Yang Xie 等人以氧化石墨烯和硼酸为原料，通过水热还原直接制得具有硼掺杂的石墨烯气凝胶BGA样品（Yang Xie, ZhenMeng, Tingwei Cai and Weiqiang Han, Acs Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7,25202-25210）；Shumin Tan 等人以氧化石墨烯和三氟化硼乙醚为原料，通过高温煅烧制得具有硼掺杂的石墨烯气凝胶G-B样品(Shumin Tan, Hwee Ling Poh, Zdenek Sofer andMartin Pumera, Analyst, 2013, 138, 4885-4891)。上述掺杂后的石墨烯复合材料各种性能虽然均有显著的提高。但是，上述方法所制备的石墨烯气凝胶均是单一杂原子掺杂，所得复合材料仍然具有掺杂比例不够高，比表面积较小，单一原子带来的诱导效应较差，活性位点不够多的缺点。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种三维氮硼共掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，该方法制备的石墨烯凝胶时引入氮、硼双杂原子，利用双杂原子间的协同效应，使掺杂材料比单原子掺杂具有更多的活性位点、更大的比表面积、更好的孔道结构。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种三维氮硼共掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1).氧化石墨烯的制备采用了改良的Hummers’方法，具体如下：