[发明专利]一种氮、磷共掺杂石墨烯凝胶电化学储钠电极的制备方法

说明书

本发明公开了一种氮、磷共掺杂石墨烯凝胶电化学储钠电极的制备方法，属于储能和电化学领域。包括以下步骤：S1：氧化石墨烯加入水中，超声分散均匀；S2：取适量含氮有机化合加入到S1的分散到体系中后添加，继续超声，得到的均匀液体置于一小玻璃瓶中进行水热反应，冷却，洗涤，干燥，磷化处理，制备得到氮、磷共掺杂石墨烯凝胶；S3：将得到的纳米材料作为电化学储钠活性物质制得电极。本发明以氧化石墨烯和含氮有机物为原料，通过水热、冷冻干燥磷化处理等方法成功制备出氮、磷共掺杂石墨烯储钠电极；该方法成本低廉，能耗较低，制备的材料结构规则，石墨烯厚度薄，具有良好的钠离子性能。

技术领域

本发明属于储能和电化学领域，具体涉及一种氮、磷共掺杂石墨烯凝胶电化学储钠电极的制备方法。

背景技术

随着储能电源和电动车电源的发展，钠离子电池因其资源丰富，价格低廉，安全性能好，电化学性能稳定等优势成为近年来研究的热点。然而钠离子电池负极材料的商业化面临一些问题，由于钠离子的半径比锂离子的半径大42%，传统商品化的锂离子电池负极材料并不适合钠离子的嵌入和脱出，开发高容量、高循环稳定性、具有良好性能的负极材料变得十分重要。

石墨烯是一种由c原子六元环平面延展构成的二维新型碳材料。良好的载流子迁移率和超大比表面积使得石墨烯成为材料明星，其独特的二维纳米片结构使其拥有众多独特的物理、化学和力学等性能并具有重要的科学研究意义和广泛的技术应用前景，这些优异的特性使得石墨烯在微纳米电子器件、储能材料和新型的催化剂载体等方面具有广泛的应用前景。然而，由于石墨烯理论容量低，并且由于钠离子半径大难以嵌入石墨烯片层使得其作为钠离子负极材料为难获得理想的性能。在此，为了改善石墨烯的电化学性能，通过在石墨烯中掺杂其它异质原子如氮(N)、磷(P)、硼(B)、硫(S)等杂原子，改善材料的表面润湿性、局部电子结构以及电子电导率，加快电子的传递，从而提高材料的电化学储钠性能。目前，含有掺杂原子的石墨烯主要通过化学气相沉积法和离子注入法进行制备，专利CN201310080808.0利用化学气相沉积法制备硫掺杂石墨烯，专利CN201410675336.8在镀膜上分别注入N型掺杂元素和P型掺杂元素来合成氮、磷掺杂石墨烯，上述两种方法合成步骤复杂、制备成本高，不利于规模化生产。专利 201410837306.2制备的氮、磷共掺杂石墨烯需要800-1300℃高温条件，不仅存在安全隐患，而且对设备要求高。专利201610658567.7合成的氮、磷共掺杂的多孔石墨烯泡沫材料中氮含量仅为5.4%，本发明方法为一步水热合成法，水热温度低（60~90℃），无需反应釜，合成的石墨烯中氮、磷含量为10.1%、0.59%，截止目前为止，没有利用相关材料制作钠离子电池负极材料的报道。

发明内容

针对目前传统的石墨烯导电性能较差，作为钠离子电池负极材料性能不佳，且传统合成的氮磷石墨烯中氮磷含量较低且合成过程复杂等缺陷，本发明提出氮、磷共掺杂石墨烯凝胶电化学储钠电极的制备方法，可改善钠离子电池负极材料的结构稳定性和电化学性能，提高材料在充放电过程下的循环性能和倍率性能，另外，且该方法过程简单、反应时间短，简化了合成工艺，降低了制备成本。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明首先提供一种氮、磷共掺杂石墨烯凝胶电化学储钠电极，所述复合电极具有三维结构的还原氧化石墨烯黑色凝胶；石墨烯为改性石墨烯，表面和层间掺杂有氮、磷原子，石墨烯片层为1-6层。

本发明还一种氮、磷共掺杂石墨烯凝胶电化学储钠电极的制备方法，包括如下步骤:

S1. 将氧化石墨烯分散在水中，超声后得到氧化石墨烯溶液；

S2. 将含氮有机化合物加入S1所述的氧化石墨烯溶液，超声混匀，进行水热反应，冷却后进行冷冻干燥处理，得到含氮石墨烯水凝胶，加入磷化剂，置于管式炉中，在氮气或氩气气氛中进行退火处理，得到纳米材料；