[发明专利]异质原子掺杂石墨烯的制备方法

说明书

本发明公开了一种异质原子掺杂石墨烯的制备方法。所述方法通过将氮源和碳源按比例溶于溶剂中，水浴搅拌得到溶胶凝胶，溶胶凝胶烘干后的前驱体再高温烧结得到氮掺杂石墨烯。同时，原材料中通过添加硫脲、硫酸、硼酸、硼酸铵、磷酸、磷酸铵等含其它掺杂元素的材料，可以实现氮硫、氮硼或氮磷等的掺杂。本发明通过调节氮源与碳源的比例，控制热解温度和时间，添加含有其他非金属元素化合物可调控掺杂的含量及类型，得到多元素共掺杂石墨烯，制备的掺杂石墨烯材料具有高的比表面积、优异的导电性能、丰富的活性位点，可以作为电极材料，用于电化学储能/转换领域。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种异质原子掺杂石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子以sp²杂化结合成的单原子层结构，具有稳定性高、导电性强、理论比表面积大等独特的性能。石墨烯复合电极材料具有较高的能量密度，同时具有较小的内阻，可实现高倍率充放电。然而单层石墨烯在制备和使用的过程中很容易的发生重堆叠的现象，导致其表面积减小，影响石墨烯的电化学性能。在纯石墨烯完美的六边形碳中掺入杂原子可以阻止石墨烯的重堆叠、在基面产生缺陷、产生能带隙以及加快电荷的传输速率，提高其电化学的性能。掺入一元或者共掺二元杂原子的石墨烯材料被广泛用于锂/钠离子电池、超级电容器和燃料电池。

目前制备异质原子掺杂石墨烯一般需要先制备氧化石墨烯或者石墨烯，之后再通过含异质原子有机物引入异质原子，主要有化学气相沉积(CVD)法、电弧放电法、高能电热法、模板法等。

其中CVD法应用最为广泛，其利用化学气体进行反应，生成物再沉淀在衬底上以制备所需的物质。在利用CVD法制备掺氮石墨烯的过程中，利用甲烷和氨气来提供碳源和氮源在特殊的反应炉里发生高温的氧化还原反应。气态的甲烷和氨气进行反应后生成的C在高温下也呈气态，在遇到衬底后会薄薄地附在衬底表面。在C原子沉淀在衬底的过程中，N原子也会随着C原子一起沉淀到衬底上，最终在衬底上生成的物质就是氮原子、碳原子混合薄膜，即掺氮石墨烯薄膜。但由于CVD法参与沉积反应的气源和反应后的余气都有一定毒性，且反应温度高，对基底材料和实验设备的要求也相对较高，因此生产成本较高，不适宜规模化应用。如何降低异质原子掺杂石墨烯的制造成本，低成本大批量生产异质原子掺杂石墨烯，成为掺杂石墨烯工业化大规模生产的瓶颈。

发明内容

为解决现有的异质原子掺杂石墨烯制备方法中环境污染、成本高、工艺复杂的问题，本发明提供一种可调控、低成本、可大规模生产的异质原子掺杂石墨烯的制备方法。

本发明的技术方案如下：

异质原子掺杂石墨烯的制备方法，将氮源(尿素、硫脲、三聚氰胺、三聚氰氯、氰胺、二氰二胺或其它加热可生成石墨相氮化碳产物的有机物)和碳源(各种糖类或碳氢化合物等)按比例溶于溶剂中，水浴搅拌得到溶胶凝胶，溶胶凝胶烘干后的前驱体再高温烧结得到氮掺杂石墨烯。同时，原材料中通过添加硫脲、硫酸、硼酸、硼酸铵、磷酸、磷酸铵等含其它掺杂元素的材料，实现氮硫、氮硼或氮磷等的掺杂，具体步骤如下：

步骤1，按氮源与碳源的质量比为30:1～5:1，将氮源和碳源溶于溶剂中，60～90℃下水浴搅拌，得到溶胶凝胶，所述的溶剂选自水、乙醇或乙醇溶液；

步骤2，将溶胶凝胶烘干，600～1200℃下高温烧结2～15h，得到异质原子掺杂石墨烯。

优选地，步骤1中，加入硫脲、硫酸、硼酸、硼酸铵、磷酸、磷酸铵等含掺杂元素的原料。

步骤1中，所述的氮源选自尿素、硫脲、三聚氰胺、三聚氰氯、氰胺、二氰二胺或其它加热可生成石墨相氮化碳产物的有机物中的一种或多种。

步骤2中，所述的烘干温度为80～200℃。

优选地，步骤2中，所述的烧结温度为750～850℃，所述的烧结时间为5h。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：