[发明专利]一种氮掺杂石墨烯的快速室温制备方法

说明书

在本专利中，以碱性气体氨气为氮源，偏酸性氧化石墨烯(pH≤6)为碳源，采用室温酸碱中和法，快速制备氮掺杂的石墨烯粉体材料。通过控制氧化石墨烯在清洗过程中的pH值和残存的水含量，与碱性气体氨气发生酸碱中和反应，利用所释放的热量，快速大批量合成还原氧化石墨烯，制备出高性能氮掺杂石墨烯粉体材料。氮原子的掺杂可以有效地提升石墨烯的电导率，并贡献赝电容，有效地降低了电极的极化，电极的电化学性能尤其是倍率性能得到提高。此工艺方法简单实用，成本低廉，超低能耗，生产工艺易于扩大化，便于大规模制备电化学性能优良的超级电容器用电极材料。

技术领域

本发明属于材料合成技术领域，具体涉及石墨烯材料的制备技术。

背景技术

超级电容器是一种新型能量存储与转换装置，其具有充电时间短、使用寿命长、安全性好、节能环保等特点。其超长的循环寿命使其在汽车，通讯，航空航天，军事工业等方面得到了广泛的应用。超级电容器按照其电荷储存机理的不同，一般分为双电容储存机理和赝电容存储机理。其中，双电容存储机理所采用的碳材料，因其低廉的成本，良好的充放电特性被科研工作者深入研究。

目前而言，超级电容器用碳材料包含有活性炭，碳纳米管，石墨烯，碳纤维，碳气凝胶 等种类。其中，石墨烯作为碳材料家族的新成员，相比于其它材料具有良好的导电性、巨大 的比表面积，高比电容等特点，成为一种理想的超级电容器用电极材料。同时，大量的研究 工作进一步证明异质原子掺杂的石墨烯具有更好的电化学能量存储性能。戴宏杰课题组的研 究人员采用电化学的方法，首次利用高能电烧蚀的方法制备了氮掺杂的石墨烯(Science,2009, (324):768-771)并发现氮掺杂有利于产生石墨烯的缺陷，促使电化学性能的显著变化。加州 大学伯克利分校的段镶锋课题组和中国科技大学的李景宏课题组合作，采用室温液相法，利 用钠-氨水溶液作为还原剂，也成功制备出了还原的氧化石墨烯。(Nature Communication,2013, (4)1539)。近期，我们课题组采用水热还原法，制备了具有多孔结构的硼掺杂石墨烯材料， 获得了较高的电化学比电容和循环性能。(DiamondRelated Materials,2018,(89)114-121) 但是，上述方法所获得石墨烯材料，或者需要较高的能量，或者需要相对复杂的液相工艺， 或许无法进行还原过程的精确控制。这无疑会增加石墨烯材料的合成成本，不利于石墨烯材 料的进一步推广应用。

发明内容

本发明是要解决常规氮掺杂石墨烯材料面临的高能耗，长时间，工艺复杂，难以精确调 控的技术问题，而提供一种高效，快捷，超低能耗，易于工业化推广的氮掺杂石墨烯制备新 技术。

本发明的技术方案如下：一种氮掺杂石墨烯的电极材料，该石墨烯复合材料的C含量为 85-98％，氮含量为2-15％；该石墨烯材料的微观形貌为：单层石墨烯的叠层复合物。

氮掺杂石墨烯的快速室温制备方法，包括步骤如下：

1)采用不同尺寸的可膨胀石墨(2-400μm)为氧化石墨烯原料。

2)采用Hummers或者改进过的Hummers方法制备氧化石墨烯。其中，通过控制石墨与高锰酸钾的比例(1:3-1:9)，来调节氧化石墨烯的相对氧化程度。

3)采用盐酸、硝酸、硫酸、磷酸等无机酸，或者柠檬酸、醋酸的有机酸为偏酸性氧化石 墨烯的酸源，来调控不同的酸碱值(pH≤6)。

4)采用冷冻干燥的方法(-40℃至-80℃)，通过控制不同干燥时间(6至72小时)，进而控制氧化石墨烯的含水量。

5)将控制干燥程度的氧化石墨烯置于管式炉的炉管内，利用真空泵进行空气/氮气的抽 气和灌气，待进行三次循环后，将氮气换成氨气，控制氨气的流量。

6)经2-10分钟的氨气与氧化石墨烯充分反应，可获得黑色、蓬松的还原氧化石墨烯粉 体材料。