[发明专利]一种多重异原子掺杂三维石墨烯的制备方法

说明书

本发明公布了一种多重异原子掺杂三维石墨烯，由以下方法得到：将含有三聚氰胺、及氧化石墨烯的分散液进行水热反应，得到预制体；将带掺杂原子的异原子源与预制体混合研磨，研磨均匀后在气氛保护下进行煅烧，得到异原子掺杂三维石墨烯。该碳材料作为锂电和钠电负极具有良好的倍率性能，并且较大比表面积以及多级孔结构易于实现载硫，可作为锂硫电池正极材料的有力的候选材料。该制备方法操作简单，成本低廉，可实现大规模制备。该方法可实现多原子均匀掺杂，并且掺杂量与掺杂状态可控，在锂离子电池和钠离子电池方面是一种良好的负极材料。

技术领域

本发明属于纳米碳材料的技术领域，具体涉及一种多重异原子掺杂三维石墨烯的制备方法。

背景技术

碳材料由于导电性高，来源丰富，成本低廉，电化学性能稳定而被广泛研究在锂电钠电负极领域。石墨烯作为一种单碳原子层厚度的二维晶体，自发现以来一直是备受研究者的青睐，因为理论和实验结果都表明，石墨烯具有最高的电子迁移率，导热性以及机械强度等物理化学性能。然而石墨烯缺少固有的带隙以及在实验中极易重堆叠的问题限制了其在各领域的实际应用。研究表明，异原子掺杂能够有效的打开石墨烯的带隙，使得物理化学和电学性能得到明显的改善。另外，将石墨烯结构三维化调控可解其易堆叠的问题。常见的掺杂石墨烯方法有CVD法、球磨法、等离子体法、电弧放电法、湿化学法以及热处理法。相比之下，湿化学法占据实验条件简单并其可实现三维凝胶碳网络的优点而被广泛应用。比如申请公布号为CN105565306A的专利中公开了一种高密度氮掺杂石墨烯及其制备方法。该方法报道了氧化石墨烯和氮源通过水热法制备了氮掺杂石墨烯并应用在锂电上，相比石墨烯大大提高了材料的比容量。二维掺杂石墨烯作为电极材料虽然能明显提高材料的比容量，但是在动力学上仍然存由有很大的提升空间。很多研究表明，三维结构具有贯通交联的结构，能有效缩短锂离子或者钠离子的扩散路径，提高电化学反应的动力学。

发明内容

在现有问题的基础上，本发明的目的在于提出一种多重异原子掺杂三维石墨烯的制备方法。该碳材料作为锂电和钠电负极具有良好的倍率性能，并且较大比表面积以及多级孔结构易于实现载硫，可作为锂硫电池正极材料的有力的候选材料。该制备方法操作简单，成本低廉，可实现大规模制备。该方法可实现多原子均匀掺杂，并且掺杂量与掺杂状态可控，在锂离子电池和钠离子电池方面是一种良好的负极材料。

具体技术方案如下：一种多重异原子掺杂三维石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

（1）氧化石墨烯溶于去离子水中并超声分散，然后加入三聚氰胺，搅拌均匀，将该溶液倒入100ml聚四氟乙烯内衬中，进行水热反应，反应结束后进行干燥，得到预制体。所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.5~7 mg/ml；所述氧化石墨烯和三聚氰胺的质量比为3:1~10；所述水热反应时间为4~18h, 水热反应温度为120℃~200℃；所述干燥方法为直接烘干、冷冻干燥、真空干燥中的一种。

（2）将异原子源与预制体进行混合研磨，研磨均匀后在氩气气氛保护下进行煅烧。所述异原子源为三聚硫氰酸、L-半胱氨酸、硒粉、双(二苯基膦)甲烷中的一种。所述异原子源和预制体的质量比为1~6：1；所述煅烧过程采用升温速率为2~15℃/min,升温到600~1200℃并保温1~6h。

采用上述工艺方法制备的本发明具有如下有益的效果：

1. 采用无模板法，同时实现三维结构构筑、多种异原子掺杂以及制造多级孔结构。可通过工艺调控三维结构、掺杂量以及掺杂状态、多级孔三者的协同关系。有益于应用在锂离子电池和钠离子电池负极材料以及作为锂硫电池载碳材料。

2. 实验操作简便，成本低廉，可实现大规模制备。

附图说明

图1为实施例4蜂窝状多级孔氮硫共掺杂三维碳材料的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述，但是本发明不局限于以下实施例。