[发明专利]利用植物提取液改性制备氮掺杂石墨烯气凝胶的方法

说明书

本发明公开了一种利用植物提取液改性制备氮掺杂石墨烯气凝胶的方法，包括：取1～10体积份氧化石墨烯溶液、0.5～12体积份氮源和1～30体积份植物提取液，搅拌，超声分散，得到混合料液；将混合料液移至高压反应釜中，在温度为80～200℃下，反应12～20h，得到水凝胶；将水凝胶经过透析后在0～‑20℃下预冷1～12h，取出后自然干燥，即得到氮掺杂石墨烯气凝胶。采用本发明，制备的石墨烯气凝胶具有高的氮掺杂量，为制备各种氮掺杂石墨烯基的功能材料奠定基础，可用于制备各种微动开关、微动传感器及超级电容器、锂电池、太阳能电池、耐火材料、催化材料、吸附材料、吸油材料等领域。本发明制备方法操作工艺简便，操作方便，能够实现大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯气凝胶的制备方法，具体涉及一种利用植物提取液改性制备氮掺杂石墨烯气凝胶的方法。

背景技术

石墨烯独特的电学、热学和力学性能使其在电子器件、复合材料、传感器、能量存储等领域具有广阔的应用前景。由于所有已知的原因，石墨烯的导电性不能完全控制，因为它没有带隙。石墨烯的掺杂通过用包括N，B，P，S等的杂原子取代碳原子以此来形成点缺陷打开其带隙和调制导电类型。因此石墨烯的元素掺杂已经成为现在研究的热潮近些年已被大量的文献所报道。而石墨烯的氮掺杂作为最普遍的掺杂方式，已经制备了各种基于氮掺杂的功能石墨烯材料。我们知道，N原子和C原子之间有大的电负性，这可以增加相邻C原子上的电荷密度，从而提高电化学性能。并且已经有研究表明，N元素的掺杂不仅增强了石墨烯和纳米材料之间的相互作用，而且增加了锚定金属纳米颗粒的活性位点，以进一步增强其催化活性。所以氮掺杂的石墨烯基材料有着广阔的应用前景。基于此，氮掺杂石墨烯材料的工业化制备我们更应倍加关注。目前，制备氮掺杂石墨烯气凝胶的方法主要有原位自组装，化学交联，化学气相沉积(CVD)，电化学合成，和模板介导的装配等。但是在这些方法中，大多在研究能量存储/转换，分子杂化物/复合物，碳的同素异形体的结构转变，但是无论在哪些方面的应用我们都不难发现，其中大多的制备方法都需要使用冷冻干燥或者真空干燥，这需要昂贵的仪器、高额的成本、有限的产量；而且所使用的还原剂大多数为化学试剂，这不仅会对环境造成严重污染还会影响其工业化生产。综上所有的原因就为大规模工业化量产掺杂石墨烯带来了诸多不便。

本发明中，我们使用纯天然左手香植物提取液做为改性剂使其能在自然干燥下制备氮掺石墨烯气凝胶。这是具有极强竞争力的生产方式，因为使用左手香植物提取液为还原剂不会对环境造成污染，同时自然干燥具有低成本、易加工、不需要高昂的设备以及无污染等优点。尽管如此，自然干燥下的氮掺石墨烯气凝胶结构通常不稳固，容易造成严重的形状变形。如先前报道的，高等植物体内利用硼酸来加强细胞间的结构，这可以硬化细胞壁、提高细胞壁间的支撑强度，虽然已经有工作研究了硼酸对石墨烯膜及石墨烯气凝胶制备的影响，但是令人遗憾的是，并没有直接使用植物提取液这种更加环保且适宜量产的方式来制备石墨烯气凝胶，所以我们直接使用植物提取液来加强氮掺石墨烯气凝胶之间的交联桥接作用，使其有足够的强度来抵抗自然干燥时产生的形状变形。

本发明的制备方法仅以一定量氨水、尿素作为氮源，以一定量的左手香植物提取液作为改性剂，通过水热法用植物提取液制备可以自然干燥的高氮掺杂量的石墨烯气凝胶，使用左手香植物提取液为还原剂不会对环境造成污染，同时自然干燥具有低成本、易加工、不需要高昂的设备以及无污染等优点，并且本发明制备步骤简单，成本低，高效，无污染。

发明内容

本发明旨在克服现有方法的缺点，本发明中的制备方法仅以一定量氨水、尿素作为氮源，一定量的左手香植物提取液作为改性剂，通过水热法用植物提取液制备可以自然干燥的高氮掺杂量的石墨烯气凝胶，简化现有的制备步骤，高效，无污染，具有优秀的弹性、电化学性、油吸收性及耐火性。可用于制备各种微动开关、微动传感器及超级电容器、锂电池、太阳能电池、耐火材料、催化材料、吸附材料、吸油材料等领域。

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。