[发明专利]一种氮掺杂的石墨烯纤维无纺布及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂的石墨烯纤维无纺布及其制备方法，构成石墨烯纤维的石墨烯片层含有一定数量的氮杂原子掺杂，并且可通过石墨烯纤维的自融合得到氮掺杂的石墨烯纤维无纺布，有利于提高石墨烯纤维及其无纺布结构的亲水性、导电性、及电化学活性，因此可用于水性电解质体系储能器件的高性能电极材料。

技术领域

本发明涉及石墨烯纤维及织物，尤其涉及一种氮原子掺杂的石墨烯纤维无纺布及其制备方法。

背景技术

石墨烯纤维无纺布是一种由石墨烯纤维在纤维搭接节点处相互融合的新型碳基织物(Nature Communications,2016,13684)，由于构成无纺布的石墨烯纤维融合后的相互作用较强，并且显著降低了纤维间的接触电阻，因此这种无纺布材料具有较好的结构稳定性，柔性以及优异的导电、导热等性能，是一种极有潜力的高性能电极材料，可用于超级电容器及电池等储能器件领域，尤其在柔性电子器件中显现出较大的应用前景。

然而，当石墨烯纤维无纺布用作电极材料时，为了保证较高的导电性与力学稳定性，其组成单元石墨烯纤维的结构较为致密，石墨烯片层的官能团较少，纤维骨架上缺少活性位点，因此与水性电解质的亲和力较差，无纺布电极的电化学活性也受到了一定程度的限制，制约了以石墨烯纤维无纺布为电极的电化学器件性能的提高。对碳材料进行氮原子的掺杂是提高其亲水性及电化学活性的一种常用方法，目前氮掺杂的氧化石墨烯纤维无纺布的制备并未见诸报道。本发明提出的基于复合纺丝及热处理的技术路线可有效实现对石墨烯纤维无纺布的氮掺杂，有利于改善其电化学活性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种氮原子掺杂的石墨烯纤维无纺布及其制备方法。

本发明通过以下技术方案实现：一种氮掺杂的石墨烯纤维无纺布，由1-7mm的石墨烯纤维通过自融合相互搭接而成，所述石墨烯纤维由氮原子掺杂的石墨烯片堆积而成，氮原子以共价键的形式与石墨烯的碳原子连接；氮原子的掺杂通过含氮化合物与石墨烯通过热处理实现。

一种氮掺杂的石墨烯纤维无纺布的制备方法，包括以下步骤：

(1)以含有含氮化合物的氧化石墨烯分散液为纺丝液进行连续湿法纺丝。

(2)将得到的氧化石墨烯/含氮化合物复合纤维在室温放置12h以上，然后在不高于100℃的温度下真空干燥3h。

(3)将干燥的复合纤维分散在乙醇溶液中，并使用高速剪切搅拌机将其搅碎成长度为1-7mm的短纤维，得到复合短纤维的分散液。

(4)在滤网上沉积氧化石墨烯/含氮化合物复合短纤维，并真空抽滤至干燥，得到复合纤维无纺布。

(3)对制得的复合纤维无纺布进行600-1000℃热处理，得到氮掺杂的石墨烯纤维无纺布。

进一步地，纺丝液中加入的含氮化合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚苯胺、三聚氰胺、尿素等可溶于水或N，N-二甲基甲酰胺溶剂的含氮化合物，含氮化合物的质量分数为10％-50％。

进一步地，纺丝液为氧化石墨烯的水溶液或N，N-二甲基甲酰胺溶液。相对应的，纺丝过程采用的凝固浴为氯化钙/水/乙醇混合液或乙酸乙酯。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明利用氮掺杂的石墨烯短纤维构成无纺布，作为结构单元的石墨烯纤维经过氮原子掺杂后可使无纺布获得更好的亲水性、导电性、以及更多的活性位点，有利于其在织物电极中的应用。

(2)复合纤维中含氮化合物的脱除可为石墨烯纤维引入大量微孔和褶皱等微结构。相比于常规的氮掺杂石墨烯膜，无纺布具有多孔的网状结构，且网络骨架本身具有较多的微结构，这种显著提升的比表面积和多级尺度的微结构能够大大提高电极材料的电化学性能。