[发明专利]一种硅掺杂的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种硅掺杂的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用，是硅掺杂石墨烯气凝胶的制备及其电化学性能研究，以氧化石墨烯为碳源，以二氧化硅为硅源，配制不同浓度的石墨烯分散液；利用一步水热合成法了稳定高性能的硅掺杂石墨烯气凝胶。本发明通过水热反应获得的产物具有特殊的三维多孔结构，硅掺杂石墨烯气凝胶表面相互连通的介孔抑制了石墨烯片层的团聚现象，进而大幅提升了宏观石墨烯材料的比表面积。同时，这种层次分明的三维多孔结构能够提升离子传输效率，从而提高硅掺杂石墨烯气凝胶作为超级电容器电极的电化学性能。

【技术领域】

本发明属于高性能超级电容器技术领域，具体涉及一种硅掺杂的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。

【背景技术】

石墨烯是一种单原子层厚度的二维碳材料(0.334nm)，稳定且特殊的晶体结构决定了石墨烯拥有优异的导热性、导电性、大表面积、良好的机械性能和易改性的表面化学，与传统的多孔碳材料相比，石墨烯具有高的电导率(10⁴～10⁶S/m)、大的比表面积(～2675m²/g)、高杨氏模量(～1TPa)和高断裂强度(～130GPa)等特性，本征石墨烯官能团较少且与有机溶剂相容性较差，应用在电子器件中会产生低开关比和大漏电流，严重制约了其功能化发展，因此，进行非金属杂原子的掺杂可以调整石墨烯的能带结构，进一步提升石墨烯气凝胶的性能，被认为是极具应用前景的超级电容器。

气凝胶材料一般是指纳米颗粒聚集形成纳米孔结构，并在纳米孔中填充气态分散介质的三维多孔超轻固体材料。碳质气凝胶作为一种新型的非晶态纳米材料，具有比表面积大、孔隙率高和物理化学性质稳定等优点，尤其适合作为催化剂及其载体，此外，碳质气凝胶具有极好的导热性和导电性。石墨烯气凝胶是一种由二维石墨烯片构建而成的宏观三维多孔结构。不仅兼具了石墨烯和气凝胶的优异特点，并且拥有更加优异的导电性、导热性和机械强度。石墨烯气凝胶的主要制备方法包括：原位组装法、模板法、化学交联法和3D打印技术。如何能够提升石墨烯气凝胶的电化学性能，扩大石墨烯气凝胶的应用领域，使得该材料能够得到充分的应用是需要解决的问题。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种硅掺杂的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用，以解决现有技术中缺少提升石墨烯气凝胶的电化学性能，扩大石墨烯气凝胶的应用领域的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种硅掺杂的石墨烯气凝胶制备方法，包括以下步骤：

步骤1，混合天然石墨粉和浓硫酸，搅拌后加入硝酸钠，形成混合物A，混合物A冷却至0℃后加入高锰酸钾，水浴加热后形成浆状物B；

步骤2，在浆状物B中加入去离子水和H₂O₂，待混合物由棕色变为淡黄色的混合溶液C后，将混合溶液C通过稀盐酸洗涤，将洗涤后的混合溶液C离心，将离心后的溶液在水中超声分散，得到GO分散液；

步骤3，将GO分散液和二氧化硅混合后，水热反应后将产物晾干后真空干燥，得到硅掺杂的石墨烯气凝胶。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤1中，天然石墨粉和浓硫酸的混合比例为1g：23mL，加入的硝酸钠为0.5g。

优选的，步骤1中，1g的天然石墨烯粉对应加入3g的高锰酸钾。

优选的，步骤1中，水浴加热温度为35～40℃，水浴加热时间为30min。

优选的，骤2中，所述超声分散时间为3h，GO分散液的浓度为1～8mg/mL。

优选的，步骤3中，加入的二氧化硅质量为GO分散液质量的15％。

优选的，步骤3中，水热反应温度为180℃，水热反应时间为12h。