[发明专利]一种杂原子掺杂的石墨烯纳米纤维无纺布及其制备方法

说明书

一种杂原子掺杂的石墨烯纳米纤维无纺布及其制备方法，具有由石墨烯纤维互相融合、搭接形成的网状结构。所述无纺布通过氧化石墨烯和杂原子化合物混合湿法纺丝，得到含有杂原子复合石墨烯纤维；利用纤维间具有较强的相互作用，通过“溶融重铸”形成相互搭接的网络骨架；再经过三氯化铁浸泡、热处理得到杂原子掺杂的石墨烯纳米纤维无纺布。由杂原子掺杂的纳米纤维形成连通的网络结构比表面积和活性位点显著增加，同时具有较高的导电性能和柔韧性，可作为柔性电极材料，在能源、电子、催化和生物医药等领域具有非常广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯纳米纤维无纺布及其制备方法。

背景技术

石墨烯具有高柔韧性、高导电性、高比表面积、耐高温性等性能，是一种典型的二维材料，由单原子层的碳原子共价结合而成，可以作为柔性电极材料、阻燃材料、吸波材料等，因而受到广泛关注。石墨烯纤维无纺布是一种新型的由石墨烯纤维构成的无纺布织物，纤维融合后相互作用较强，接触电阻较低。因此石墨烯纤维无纺布具有优异的力学稳定性、柔性、以及优良的导电性，作为一种极有潜力的高性能电极材料，在柔性储能器件领域具有广阔的应用前景。

然而，石墨烯纤维的结构比较致密，活性表面积较小，并且石墨烯片层上缺少官能团、纤维骨架上缺少活性位点，电化学活性较低，制约着无纺布在诸多领域中的应用。如果能通过特殊的手段在石墨烯纤维内部构筑大量的纳米纤维网络结构，提升纤维的比表面积，并通过对石墨烯纳米纤维进行杂原子的掺杂，构建活性位点，就能大大提升石墨烯纤维基无纺布的性能。目前杂原子掺杂的石墨烯纳米纤维无纺布的制备并未见诸报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种杂原子掺杂的石墨烯纳米纤维无纺布及其制备方法。

本发明杂原子掺杂的石墨烯纳米纤维无纺布，由石墨烯纤维通过互相融合、搭接形成网状结构；所述的石墨烯纤维由石墨烯纳米纤维交联而成，无纺布内部是由大孔和微孔组成的多级孔道结构，石墨烯纳米纤维含有杂原子的掺杂，杂原子以共价键的形式与石墨烯的碳原子连接。

所述的杂原子掺杂为单原子掺杂、双原子掺杂或多原子掺杂，杂原子的种类为氮原子或磷原子或硫原子。

本发明杂原子掺杂的石墨烯纳米纤维无纺布的制备方法包括以下步骤：

(1)采用含杂原子化合物的氧化石墨烯分散液为纺丝液，进行连续湿法纺丝。将得到的复合纤维在温度不高于70℃的烘箱中干燥12h；

(2)将干燥的复合纤维分散在乙醇和水的混合液中，搅碎混合均匀，得到复合纤维的悬浮液，经过滤网过滤沉积，在过滤网上得到复合纤维无纺布；将复合纤维无纺布用乙醇洗涤三遍，在80℃下干燥；

(3)将干燥后的复合纤维无纺布在饱和的FeCl₃中浸泡，烘干，得到含有铁原子的复合纤维无纺布，随后进行高温热处理，得到杂原子掺杂的石墨烯纳米纤维无纺布。

进一步地，所述的含杂原子化合物形成单原子掺杂、双原子掺杂或多原子掺杂的石墨烯纤维，原子种类包括氮原子、磷原子和硫原子等，所述的含杂原子化合物为聚苯胺、吡咯、甲硫氨酸、六氯环三磷腈、硫酸镍、三聚氰胺、三苯基膦和硫粉中的一种或多种。

进一步地，所述的纺丝液为氧化石墨烯的水溶液或N，N-二甲基甲酰胺溶液。

进一步地，步骤(3)中高温热处理的条件是全程以Ar为保护气、H₂为还原气氛，以2℃/min加热至200℃，随后以10℃/min升温至800-1000℃。