[发明专利]一种N和S双掺杂石墨烯/碳纳米管气凝胶的制备方法

说明书

本发明公开了一种N和S双掺杂石墨烯/碳纳米管气凝胶的制备方法，属于电极材料制备技术领域。首先将羧酸化碳纳米管和氧化石墨烯混合后，加入去离子水，超声均匀后得到混合液；往混合液中加入吡咯和噻吩，进行一次水热反应，得到水凝胶；将得到的水凝胶放入2M的KNO₃溶液中，进行二次水热反应，冷却至室温后，再经过滤、洗涤和冷冻干燥；将冷冻干燥后所得产物在氩气气氛中热裂解，制得所述N和S双掺杂石墨烯/碳纳米管气凝胶。本发明在石墨烯气凝胶中N和S，其中N和S的双掺杂可以进一步增强碳材料的反应性和导电性，相比于单一的N或S掺杂材料，通过引入更多的活性位点，从而提高其电化学性能，有望应用于超级电容器的电极材料中。

技术领域

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种N和S双掺杂石墨烯/碳纳米管气凝胶的制备方法。

背景技术

在所有碳材料中，如碳纳米管、纳米纤维、多孔碳、空心纳米球、碳胶囊、石墨烯纳米片、石墨烯纳米带及其复合材料，石墨烯由于其非凡的电子和机械性能而优于其他碳材料。虽然石墨烯在超级电容器中已经取得了相当大的进展，但性能仍然差强人意。这是因为石墨烯层之间的强范德华力和π-π叠层相互作用使得它们容易聚集形成石墨状结构，从而导致有效比表面积的损失，降低其比电容。因此，为了充分利用石墨烯的电化学性能，必须有效抑制其自堆叠问题。

石墨烯气凝胶代表着一类新型的整体性碳质材料，其发达的孔隙、超低的密度以

及优异的导电特性赋予了石墨烯气凝胶在能源、环保以及催化等领域广阔的应用前景，是近年来的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种N和S双掺杂石墨烯/碳纳米管气凝胶的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种N和S双掺杂石墨烯/碳纳米管气凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）羧酸化碳纳米管的制备；

（2）氧化石墨烯的制备；

（3）将步骤（1）制得的羧酸化碳纳米管和步骤（2）制得的氧化石墨烯混合后，加入去离子水，超声均匀后得到浓度为2mg/mL的混合液；

（4）往步骤（3）得到的混合液中加入吡咯和噻吩，进行一次水热反应，反应温度为160~180℃，反应时间为4~6h，得到水凝胶；

（5）将步骤（4）得到的水凝胶放入2M的KNO₃溶液中，进行二次水热反应，反应温度为120~140℃，反应时间为2~3h，冷却至室温后，再经过滤、洗涤和冷冻干燥；

（6）将步骤（5）冷冻干燥后所得产物在氩气气氛中于1050~1100℃下热裂解2h，制得所述N和S双掺杂石墨烯/碳纳米管气凝胶。

步骤（1）所述的羧酸化碳纳米管的制备方法为：将1 g 多壁碳纳米管（MWCNTs）加入到80 mL浓HNO₃中，随后在120℃油浴锅中冷凝回流12 h，将所得黑色混合物反复洗涤抽滤至pH=7取滤渣。

步骤（2）所述的氧化石墨烯的制备方法为：将石墨与浓硫酸/浓磷酸体系均匀混合后，缓慢加入高锰酸钾，均匀搅拌0.5h后，在50℃水浴中搅拌12h，缓慢加入去离子水，并保持温度低于100℃，逐滴加入5wt%的双氧水，当混合液变成金黄色时，加入盐酸洗涤，反应5分钟后，用去离子水洗涤至中性，并用BaCl₂检测有无SO₄^2-残留，随后冷冻干燥24h制得氧化石墨粉末；将制得的氧化石墨粉末加入到去离子水中，超声1h，然后于2000r/min的转速下离心10min，去除下层沉淀物，取上层液，将上层液于0℃下冷冻12h后，置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥36h，即制得所述氧化石墨烯。