[发明专利]具有超高储锂容量的氮掺杂石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的制备领域，具体涉及一种从氮掺杂氧化石墨烯水热法还原制备氮掺杂石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯因其超大的比表面积、高导热导电性和强的杨氏模量已经在许多领域得到了广泛的关注。特别是在锂离子电池领域，石墨烯与其他物质结合，如金属氧化物、金属硫化物等等，已经取得了优异的电学性能。石墨烯提供了高效的导电网络，而且使其负载的物质有了更高的稳定性，从而使石墨烯基复合材料表现出了更高的储锂容量和循环稳定性。

目前，有关石墨烯的掺杂也得到了人们的大量研究。掺杂物有硼、氮、气体、金属和有机分子等等，掺杂后的石墨烯化学活性和电性能方面得到了更大的提高。在众多掺杂之中，氮掺杂石墨烯得到了最多的关注，相比于未掺杂的石墨烯，氮掺杂石墨烯拥有更多的活性区域，这样更有利于其表面的嵌锂/脱锂的发生。在锂离子电池领域，还原的氧化石墨烯是用作复合材料最常见的基底，但是弱导电性限制了其作为导电网络的应用，而氮掺杂石墨烯中的氮原子可以通过提供更多的电子云密度来提高导电性。但是目前报道中氮掺杂石墨烯的做法均较为复杂，都要有掺氮的过程，无论是单独使用还是与其他物质复合均使步骤复杂化。

Journal of Materials Chemistry2011,21(14),5430公开了一种气氛炉热处理法制备氮掺杂石墨烯的过程，在800℃氨气气氛下热处理2小时，使得氮原子的掺杂量达到了2%，该方法制备的氮掺杂石墨烯在充放电电流密度为42mA/g的情况下，处理容量达到900mAh/g。

ACS Nano2011,5,5463公开了一种气氛炉热处理法制备氮掺杂石墨烯的过程，该方法将氧化石墨烯在600℃氨气气氛下热处理了2小时，得到的氮掺杂石墨烯在50mA/g的电流密度下经过30次循环，容量达到872mAh/g，远远超过未掺杂石墨烯的638mAh/g容量。

CN102120572B公开一种氮掺杂石墨烯的制备方法，其将氧化钛的石墨烯和三聚氰胺混合研磨后置于密闭惰性气体中加热于700～1200℃下的进行高温热还原和氮掺杂反应制得氮掺杂石墨烯，该法处理温度高。又，CN102167310B公开一种水热法制备氮掺杂石墨烯材料的方法：将氧化石墨烯溶于溶剂中，加入表面活性剂后混合均匀，再加入含氮化合物后再100～190℃下水热反应制得氮掺杂石墨烯。该法需要表面活性剂，而且氧化石墨烯的分散需要进行复杂的超声分散或者加热搅拌法进行。

发明内容

面对现有氮掺杂技术存在的问题，本发明人在此提出通过在制备氧化石墨烯的过程中引入氮源制得氮掺杂氧化石墨烯作为前驱体，再通过直接水热还原制备氮掺杂石墨烯材料。这样，省去了传统的后处理掺氮过程，工艺更为简单，应用更为广泛，只需将本发明中的氮掺杂氧化石墨烯用传统还原氧化石墨烯的方法处理即可得到氮掺杂石墨烯材料。

在此，本发明首先提供一种具有超高储锂容量的氮掺杂石墨烯的制备方法，包括：

步骤A：在制备氧化石墨烯的过程中引入氮源，制得氮掺杂氧化石墨烯；以及

步骤B：于180～200℃水热处理所述氮掺杂氧化石墨烯制得所述氮掺杂石墨烯。

本发明的制备方法通过在传统的制备氧化石墨烯的步骤中引入氮源，从而制得氮掺杂氧化石墨烯，并将其高温水热得到了氮掺杂石墨烯材料。与现有技术相比，本发明可控性高，重复性好，适合规模生产，并且制得的材料可直接应用，省去了传统的后处理掺氮过程，使得制备方法相对简单。

较佳地，所述步骤A包括：混合所述石墨粉、高锰酸钾、硝酸钠和浓硫酸，再向其中加入所述氮源，于30～40℃下进行第一阶段反应12～36小时，再升温至80～90℃，进行第二阶段反应0.5～2小时。

较佳地，在所述步骤A中，所述石墨粉、高锰酸钾、硝酸钠和浓硫酸的比例可为（1g）：（3g）：（0.5-1g）：（46-50mL）。

较佳地，在所述步骤A中，可先将石墨粉和硝酸钠加入到浓硫酸中，然后分批加入高锰酸钾。

较佳地，在所述步骤A中，可在0～4℃下加入高锰酸钾。

较佳地，在所述步骤A中，可在0～4℃下加入所述氮源。

较佳地，在所述步骤A中，升温至80～90℃后加入水再进行所述第二阶段反应，其中加入的水和浓硫酸的体积比为2：1。

较佳地，在所述步骤A中，所述第二阶段反应结束后加入浓度为30%的双氧水结束反应，加入的双氧水和浓硫酸的体积比为2：1。

较佳地，所述氮源可为三聚氰胺、和/或尿素。

较佳地，所述水热反应的时间可为4～8小时。

附图说明