[发明专利]一种超高比表面积硫氮共掺杂多孔石墨烯的制备方法及产品

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯材料制备领域，更具体地，涉及一种超高比表面积硫氮共掺杂多孔石墨烯的制备方法及产品。

背景技术

在诸多炭材料中，石墨烯由于其特殊的结构和性质成为目前人们研究的热点。石墨烯是由碳六元环组成的二维周期性结构，这种特殊的结构使其具有许多奇特的性质，如室温量子霍尔效应、铁磁性、超导性和巨磁阻效应等。此外，石墨烯还具有优异的热学性能、电学性能、力学性能以及很高的化学稳定性和热力学稳定性，使其在纳米器件、电池/超级电容器、复合材料以及储氢材料、催化剂等领域表现出潜在的应用前景。然而，由于石墨烯没有能带隙，使得其电导性不能像传统的半导体一样完全被控制，而且石墨烯表面光滑且呈惰性，不利于与其他材料的复合，从而在一定程度上阻碍了石墨烯的广泛应用。

近年来，研究者发现对石墨烯进行化学掺杂，能够有效地调变其结构和性能，进而实现石墨烯及其相关材料更为丰富的功能和广阔的应用。N、S等元素因能有效打开石墨烯的能带间隙，可调整其导电类型(通过掺杂实现p型和n型半导体之间的转换)，改变其电子结构，从而提高其自由载流子密度，增加其导电性和稳定性。传统主要以气相沉积法(CVD)制备N、S掺杂及其S和N共掺杂石墨烯，但其制备过程非常繁琐，不仅需要金属催化剂和硅片等模板，还需要复杂的真空体系，大规模生产成本高昂，难以实现其商业化。除此之外，直接高温煅烧含N、S等高分子及其聚合物前驱体(三聚氰胺、氨水等)和石墨烯/氧化石墨烯的混合物，以及将石墨烯基衍生物在含杂原子气体(NH₃，H₂S，HCN)等氛围下进行热处理，也可得到单原子掺杂或双原子掺杂石墨烯。但这两种方法制备的石墨烯比表面积普遍不高<900m²/g，且制备过程较为复杂，需要先制备氧化石墨烯再进行混合，或需要复杂的有机气体环境，这都不利于其推广，且聚合物前驱体和有机气体多有毒有害，严重威胁人体健康。另，CN201510201085.4公开了一种动物骨基类石墨烯锂离子电池负极材料及其制备方法，其采用动物骨作为原材料，通过碳化、活化和石墨化，结合一定温度下的热处理制得石墨烯，该方法需高温活化，并且活化后需高温转化为石墨烯，制备工艺复杂，成本高，获得的石墨烯为普通的无掺杂的，且呈层状结构的石墨烯。因此，发明一种新的条件温和简单的制备高比表面积掺杂石墨烯材料方法，特别是制备较为复杂的硫氮双原子掺杂，非常具有实际价值。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超高比表面积硫氮共掺杂多孔石墨烯的制备方法及产品，其中利用角蛋白的特殊链状及环状结构，将生物质角蛋白直接转化为超高比表面积的硫氮共掺杂多孔石墨烯，所得石墨烯的氮含量可高达5.0at.％以上，硫含量达1.0at.％以上，比表面积高达1500m²/g以上，并且呈现出多孔的泡沫状石墨烯结构，其使用的原材料来源广泛，价格低廉，将其制备为石墨烯，不仅提升其应用价值，还有效解决了这些废物丢弃所带来的环境问题，具有制备简单、环保、成本低等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种超高比表面积硫氮共掺杂多孔石墨烯的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)将含有角蛋白的生物质材料洗净晾干，至于管式炉惰性气氛中碳化获得所需样品，该生物质材料同时作为固体碳源、氮源和硫源，其中，碳化的具体工艺被设定为温度200～300℃，保温时间1～5h，升温速率1～2℃·min^-1。

2)将步骤1)中制得的样品置于真空手套箱碱性溶液中进行减压吸附，然后进行烘干，获得所需样品；

3)将步骤2)中烘干的样品至于惰性气氛的管式炉中，初步升温至200～350℃，并保温0.5～3h，然后再升温至600～900℃，保温0.5～2h，以进行活化处理，然后自然冷却；

4)将步骤3)所得的样品磨碎后酸洗，抽滤，并加水洗至中性；

5)将步骤4)所得的样品置于真空干燥箱中干燥，得到超高比表面积硫氮共掺杂的多孔石墨烯。

作为进一步优选的，所述步骤1)中采用的惰性气氛为氩气或氮气。

作为进一步优选的，所述步骤2)中所用的碱性溶液为0.5～1.0mol·L^-1的KOH或NaOH溶液。

作为进一步优选的，所述步骤2)中真空手套箱所保持的气压为0～50pa，减压吸附时间为1～6h。

作为进一步优选的，所述步骤2)中烘干的温度为80℃～100℃，烘干的时间为10h～12h。