[发明专利]氮掺杂石墨烯水凝胶或气凝胶及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种水凝胶和气凝胶技术，更具体地涉及一种氮掺杂石墨烯水凝胶或气凝胶及制备方法。

背景技术

石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后的一种新型的碳材料，自2004年Geim等用机械剥离法成功的制备了单层石墨烯，其便以独特的性能在各个领域掀起了石墨烯研究的热潮。石墨烯是SP²杂化的碳原子在六方晶格中排列所形成片状单层，是一种完美的二维结构材料；其具有超高的比表面（2600 m²g^-1），高的热导率（5000 Wm^-1K^-1），极大的载流子迁移速率（2×10⁵ cm²V^-1s^-1）和强的杨氏模量（1 TPa），因此石墨烯在储能、催化、传感器、电子器件、复合材料等方面的研究备受关注。为了进一步拓宽石墨烯材料的应用领域，需要对石墨烯的性能进行调变，有两种方式可供选择：一是通过改变石墨烯形貌（尺寸大小、边沿类型等），达到调变性能的目的，比如石墨烯纳米带，石墨烯量子点；二是通过化学掺杂的方法，通过杂质原子（N、B等）的引入改变石墨烯的化学组成，从而达到调变的目的。其中，氮掺杂能够显著的调变石墨烯的性能，赋予了石墨烯更高的导电性、n型掺杂行为、对氧还原反应的催化性能等。氮掺杂石墨烯的制备是目前石墨烯研究较多的一个分支，主要方法有化学气相沉积法、偏析生长法、电弧法、高温热处理法、等离子体法。

另一方面，在纳米技术中，为了获取宏观上新颖的结构和功能，需要对微观上具有特殊性质的纳米材料单元进行组装。石墨烯也不例外，通过对石墨烯的前驱体氧化石墨烯进行组装，目前已经制备出了石墨烯透明导电薄膜、石墨烯纸、水凝胶、气凝胶等。石墨烯水凝胶是一类以水为分散介质、具有高度交联网络骨架的凝胶，具有含水量高和良好的导电性、机械性能和电化学性能等特点。微观网络结构具有丰富的孔洞，提供了大的比表面积，是一种理想的电极材料。而石墨烯气凝胶是分散介质为空气的凝胶，具有极高的孔隙率（75-99.9%）、极低的密度（0.001-0.1g/cm³）和大的比表面积（200-1500 m²/g），在隔热材料、隔音材料、吸附剂、储能、催化剂载体、生物相容材料等方面都有大量的研究。石墨烯水凝胶和气凝胶属于碳基凝胶，具备碳基凝胶所具有特性，如生物相容性、导电性、吸附性等。

但是到目前为止，氮掺杂石墨烯的组装研究还几乎没有展开，尤其是氮掺杂石墨烯水凝胶和气凝胶的制备。主要原因为目前制备氮掺杂石墨烯所采用方法限制石墨烯单元的自组装过程。

因此，一种成本低廉、操作简单、易于生产放大的，制备氮掺杂石墨烯水凝胶和气凝胶的方法有待开发。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种氮掺杂石墨烯水凝胶或气凝胶的制备方法，该方法具有操作简单、条件温和、成本低廉、工艺易于放大的优点。

本发明的氮掺杂石墨烯水凝胶含水量为90-99.5%，导电率10^-3-100 S/m，N/C摩尔比值为1-25%。

本发明的氮掺杂石墨烯气凝胶N/C摩尔比值为2-20%，C/O摩尔比值为15-5；氮原子的存在形式为胺基氮为40-70%），吡啶型氮为10-40%，石墨型氮为10-30%；比表面积300-1500m²/g，孔径为微孔10-20%，介孔20-50%，大孔30-70%；表观密度0.01-0.2g/cm³,孔体积5-20cm³/g,电导率1-1000 S/m。

本发明的制备方法具体包括以下步骤：

（1）氧化石墨烯分散液的制备：将氧化石墨研磨成1-100微米的细粉，随后与溶剂混合，搅拌至分散均匀；之后对上述体系进行0.1-2h超声处理,功率为10-1000W，制成浓度为0.1-9mg/mL的分散液；随后经过离心处理除去少量的不溶物，所得液体即为氧化石墨烯分散液；

（2）氮掺杂石墨烯水凝胶的制备：将步骤（1）得到的氧化石墨烯分散液与氮源进行混合，搅拌或者超声分散均匀，在30-220℃下反应0.5-36h,自组装制得氮掺杂石墨烯水凝胶；

（3）氮掺杂石墨烯气凝胶的制备：对步骤（2）所制备的氮掺杂石墨烯水凝胶进行干燥，制得氮掺杂石墨烯气凝胶。