[发明专利]一种高密度N掺杂的石墨烯材料的可扩展制备方法

说明书

本发明涉及一种高密度N掺杂的石墨烯材料的可扩展制备方法，包括：将GO分散液与PEI溶液混合，得到GO‑PEI复合物步骤；将GO‑PEI复合物干燥和煅烧步骤。本发明PEI的氨基官能团能一定程度上减少GO含氧量，可以有效阻止在煅烧样品的过程中因大量含氧官能团分解成气体而引发的热膨胀，致使材料的密度大大降低。材料的振实密度和表面积的平衡调控可以通过控制PEI的加入量来实现。反应过程中无需添加金属盐类的造孔剂或活化试剂，能较好地保持石墨烯原有的骨架结构，且操作步骤较简便易行。

技术领域

本发明涉及一种高密度N掺杂的石墨烯材料的可扩展制备方法，属于电极材料技术领域。

背景技术

石墨烯是一种单层碳原子以sp²杂化形式连接构成的二维晶体，呈蜂窝状结构，其理论厚度仅为是目前发现的最薄的二维材料。特殊的结构使石墨烯表现出许多优异的性质，如大的比表面积，好的透光性，强的导电性和导热性以及出色的机械性能。此外，还具有化学稳定性好、环境友好型等优点。石墨烯的这些优异性能使其蕴藏着巨大的应用价值，目前已被广泛开发的应用领域包括超级电容器、锂离子电池、太阳能电池、吸附污染物及重金属离子和透明电极等。

然而，在大多数实际应用中，由于二维的石墨烯层间存在较强的π-π作用和范德华力，石墨烯片层会发生严重的团聚和堆叠现象，失去原有石墨烯的许多优良性质。而且，在实际应用中，一般需要将二维石墨烯组装成宏观的物体。为了克服这些问题从而更好的开发和利用石墨烯的固有性质，可以将二维石墨烯组装成三维(3D)石墨烯结构，比如石墨烯泡沫、水凝胶、气凝胶、层层组装结构和具有特殊形貌单分散结构等。但是，这些3D结构一般组装层间距较大导致了另一个空间利用率低的问题，既密度小。许多报道的石墨烯材料的密度小于0.5g cm^-3，甚至低至2.1±0.3mg cm^-3。这种低密度造成的低的体积比性能，严重限制了石墨烯在能量转换和存储设备中的实际应用,如超级电容器。

在石墨烯水凝胶的基础上，通过室温蒸发诱导的干燥过程，利用在该过程中产生的毛细收缩作用，制备了高密度石墨烯材料，密度一般能达到1-1.58g cm^-3。但该方法在毛细管收缩的过程中，易导致石墨烯层的重新堆积和聚集，并严重降低材料的BET表面积。在体积收缩的过程中，将低维材料，如纳米碳颗粒、碳纤维、碳纳米管等，加入到石墨烯层间可有效防止石墨烯层的重新堆叠，从而能够大大增加其BET表面积。然而，由于这些碳材料一般为几十或几百纳米，复合材料的孔径通常很大，严重降低了石墨烯材料的堆积密度。通过加入造孔剂或活化试剂，如ZnCl₂、KOH等，所得材料一般具有非常高的微孔体积和高的表面积，并能一定程度的保证高密度。但在造孔或活化过程中发生的化学反应能破坏石墨烯的骨架结构，这将严重影响石墨烯的固有性能。且去除造孔剂和活化剂的过程非常繁琐，容易引入杂质，一定程度上限制了该类方法的应用。此外，高密度的石墨烯材料通常是由高温高压的水热过程制备的块体材料，或真空过滤得到的凝胶膜材料。这些预处理工艺使高密度石墨烯材料很难大规模生产。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，解决上述问题，尤其是现有技术在毛细管收缩的过程中，易导致石墨烯层的重新堆积和聚集，并严重降低材料的BET表面积；以及采用纳米碳颗粒、碳纤维、碳纳米管等低维碳材料进行处理时，复合材料的孔径大，严重降低了石墨烯材料的堆积密度；采用金属盐类造孔剂或活化剂时，在造孔或活化过程中发生的化学反应能破坏石墨烯的骨架结构，严重影响石墨烯的固有性能；高密度的石墨烯材料通常由高温高压的水热过程或真空过滤成膜过程制备，这些预处理工艺使高密度石墨烯材料很难大规模生产。本发明提供一种通过聚乙烯亚胺(PEI)和氧化石墨烯(GO)之间较强的交联作用，使石墨烯快速沉降，然后再经热处理，制备高密度N掺杂的石墨烯材料的可扩展制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种高密度N掺杂的石墨烯材料的制备方法，包括：

将GO分散液与PEI溶液混合，得到GO-PEI复合物步骤；