[发明专利]多层自支撑多孔N掺杂石墨烯及其制备方法

说明书

本发明涉及多层自支撑多孔N掺杂石墨烯及其制备方法，通过改进的Hummer’s法与氮掺杂工艺相结合，在石墨烯表面生成大量含氧官能团的同时，氮掺杂过程中产生的气体将聚集在一起的石墨烯片层撑开，从而形成氮掺杂多孔自支撑层状石墨烯材料。本发明所提供的多层自支撑孔状N掺杂石墨烯，提供了开放的多孔结构和丰富的活性位点，解决现有石墨烯混乱的平行堆叠带来的比表面积衰减的问题，既具有纳米材料中的物质传输的短程效应和多孔材料巨大比表面积的双重优势，石墨烯层间孔道结构设计将石墨烯二维表面上的气体扩散模式有效地转化为三维扩散，使气体分子更容易在孔结构中吸附和脱附，因此，能缩短石墨烯对NO₂的响应‑恢复时间。

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种多层自支撑多孔N掺杂石墨烯及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种单原子厚度的二维碳原子晶体材料，具有高达2600m²/g的超高比表面积，这使它对周围的气体环境非常敏感，即使一个气体分子的吸附和释放都可以顺利地检测到，更重要的是石墨烯还具有良好的柔韧性和优良的导电率。因此，将石墨烯作为气敏材料，是发展高性能、低成本、低能耗和小型化室温传感器的重要途径。但是，目前的氧化还原法获得的石墨烯都是多层石墨烯片混乱的堆垛在一起，这将大大降低比表面积以及电子的传输能力，导致其气敏性能的显著退化。

为了克服这个问题，在石墨烯片层上引入更多的褶皱或形成自支撑多孔结构，可赋予石墨烯更大的比表面积、开放的能带结构和丰富的活性位点，又可为吸附气体的层间扩散和载流子传输提供通道，从而可以提升材料的电化学催化，储能性能及气敏特性等。

理想的多孔自支撑层状石墨烯带有明显的结构边缘，且微孔，介孔和大孔呈均匀分布。目前制备多孔层状石墨烯的方法有：（1）光刻技术，利用高能电子束、离子束或者光子束对石墨烯进行刻蚀。（2）催化刻蚀法，受碳原子排列结构的影响，石墨烯表面呈惰性，普通条件下很难与其他物质反应，但是在一定条件下借助催化剂的作用，可以使特定位置的碳原子被移除形成气体溢出，在表面产生空隙。（3）湿法刻蚀，一种化学腐蚀技术，通常分为酸法刻蚀和碱法刻蚀。（4）碳热还原法，将碳作为还原剂，还原金属氧化物得到金属单质，而碳原子本身在还原过程中被刻蚀。（5）溶剂热法，在石墨烯制备过程中调整实验参数就可以精确的控制纳米颗粒的大小、形貌分布和结晶性。但光刻法不但工艺过程繁琐，而且对仪器的操作精度要求较高，获得的孔隙密度较低，高昂的成本只限于小范围推广。而酸碱腐蚀、催化刻蚀等方法虽然可以有效的控制成本，但是在制备过程中外来杂质的引入将严重影响多孔层状石墨烯的性能和应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种多层自支撑多孔N掺杂石墨烯及其制备方法，该结构提供了开放的多孔结构和丰富的活性位点，解决现有石墨烯混乱的平行堆叠带来的比表面积衰减的问题，

本发明所采用的技术方案为：

多层自支撑多孔N掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

通过改进的Hummer’s法与氮掺杂工艺相结合，在石墨烯表面生成大量含氧官能团的同时，氮掺杂过程中产生的气体将聚集在一起的石墨烯片层间撑开，从而形成氮掺杂多孔自支撑层状石墨烯材料。

具体包括以下步骤：

步骤一：多层自支撑多孔状氧化石墨烯的制备：

将2g的天然石墨和35ml浓度为98%的浓硫酸混合于250ml的烧杯中，用保鲜膜封住烧杯口，强力搅拌2小时；

将6g高锰酸钾，边搅拌边缓慢加入上述混合溶液中，然后使反应在35℃恒温水浴锅中反应12小时；

加入80ml的去离子水，5分钟后，边搅拌边缓慢向反应体系中逐滴加入80ml浓度为30%的双氧水；