[发明专利]一种高性能氮掺杂三维石墨烯的制备方法

权利要求书

1.一种氮掺杂三维石墨烯的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤S1：使用石墨制备氧化石墨烯；

步骤S2：使用氧化石墨烯制备三维石墨烯水凝胶：按照质量体积比为1～2mg:1ml，将氧化石墨烯加入到去离子水中，经过超声处理，配置成氧化石墨烯水溶液，然后将氧化石墨烯水溶液转移到聚四氟乙烯的容器中，放在反应釜中进行水热反应，冷却后得到三维石墨烯水凝胶；

步骤S3：使用三维石墨烯水凝胶制备三维石墨烯-聚苯胺复合材料：按照三维石墨烯与酸性溶液质量体积比1mg：20～50ml的量，将所述三维石墨烯水凝胶浸泡在在酸性溶液中，按照三维石墨烯与苯胺质量比为1:5～10的量，向酸性溶液滴入定量的苯胺并搅拌，让苯胺充分进入到三维石墨烯的微孔结构中，接着按苯胺与过硫酸铵质量比为5:3～5的量，定量加入过硫酸铵，并搅拌，再次将混合液转移到聚四氟乙烯容器，放到反应釜里继续水热反应，将产物抽滤清洗，经过冻干得到干燥的三维石墨烯-聚苯胺复合材料；

步骤S4：使用三维石墨烯-聚苯胺复合材料制备氮掺杂三维石墨烯：在惰性气体保护下，将所得三维石墨烯-聚苯胺复合物加热至750～1000℃，保温1～2h，经冷却得到高性能氮掺杂三维石墨烯。

2.根据权利要求1所述的氮掺杂三维石墨烯制备方法，其特征在于，使用所述石墨制备氧化石墨烯的方法采用改进Hummers方法，具体的步骤包括：

(1)按照质量体积比为5g：200ml，将可膨胀石墨加入到由体积比为3:1的浓硫酸与浓硝酸组成的混合液中，并在室温下搅拌预膨胀，用去离子水稀释反应液，抽滤收集产物并晾干，用微波1800W加热，微波时间40～60s使石墨完全膨胀；

(2)按膨胀石墨与浓硫酸质量体积比为5g：300ml，将膨胀石墨加入浓硫酸中，再按膨胀石墨：过硫酸钾：五氧化二磷质量比为5:4.2:6.2的量分别加入过硫酸钾与五氧化二磷，在60～80℃下搅拌3～5h，反应完用去离子水稀释反应液，再用去离子水洗涤抽滤并晾干，得到预氧化石墨；

(3)按照预氧化石墨与浓硫酸的质量体积比为5g:200ml，将由步骤(2)得到的预氧化石墨加入浓硫酸中，接着加热至35～40℃，搅拌1～2h进行剥离和插层反应，再用去离子水稀释，往稀释液中滴入10ml体积分数为3％的双氧水，不断搅拌至溶液出现金黄色，静置后，倒去溶液上清液，留下金黄色混合液，再用盐酸、去离子水分别离心处理，得到氧化石墨烯分散液，最后冻干，得到金黄色固态氧化石墨烯。

3.根据权利要求1所述的氮掺杂三维石墨烯的制备方法，其特征在于，上述步骤S2中，进行所述水热反应时，反应温度为140～180℃，时间为8～12h。

4.根据权利要求1所述的氮掺杂三维石墨烯的制备方法，其特征在于，上述步骤S3中，再次进行水热反应时，反应温度为120～160℃，时间为10～12h。

5.根据权利要求1所述的氮掺杂三维石墨烯的制备方法，其特征在于上述步骤S3中，所述酸性溶剂的pH值为1～5，是盐酸、硫酸或者高氯酸；苯胺溶液应当缓慢加入并需要磁力搅拌1-2h；在加入过硫酸铵时，需先把固体的过硫酸铵溶解在上述酸性溶液中，并搅拌10～30min。

6.根据权利要求1所述的氮掺杂三维石墨烯制备方法，其特征在于，上述步骤S3中，所得的三维石墨烯-聚苯胺复合物经过滤清洗后，在冷冻干燥机下冻干12～24h，在保持石墨烯的三维结构下将水分抽出。

7.根据权利要求1所述的氮掺杂三维石墨烯的制备方法，其特征在于，上述步骤S4中，所述氧化石墨烯-聚苯胺混合物的加热条件为：以5～10℃/min的升温速率上升到750～1000℃。

8.根据权利要求1所述的氮掺杂三维石墨烯的制备方法，其特征在于，上述步骤S4中，惰性气体保护的条件是，将三维石墨烯-聚苯胺混合物置于耐高温管式炉中，先将管式炉抽真空，除去空气，再以100～300ml/min的速率通入惰性气体，形成无氧环境。