一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片的制备方法技术

一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片，通过以下方法得到：将含有三聚硫氰酸的均匀溶液缓慢加入溶有三聚氰胺的氧化石墨烯水溶液中，50~120℃下充分搅拌；将产物置于真空环境下于300~500℃、及700~900℃进行二段升温热处理，通入惰性气氛直至降温结束，得到三维多孔氮硫掺杂碳纳米片。本发明专利技术采用三聚氰胺与三聚硫氰酸超通过分子聚合形成碳骨架，在石墨烯的参与下，共同构筑成三维碳材料；同时三聚氰胺、三聚硫氰酸均作为氮、硫掺杂的氮源及硫源，对石墨烯碳材料进行氮、硫掺杂。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。该制备方法操作简单，成本低廉，可实现大规模制备。

【技术实现步骤摘要】
一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片的制备方法
本专利技术属于纳米碳材料的
，具体涉及一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片的制备方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
在现有问题的基础上，本专利技术的目的在于提出一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片的制备方法。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。该碳材料不仅具有均匀掺杂的氮硫原子，并且比表面积大，在碱金属离子电池方面是一种良好的活性材料。具体技术方案如下：一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片的制备方法，包括如下步骤：（1）氧化石墨烯去离子水溶液超声分散，然后加入三聚氰胺，搅拌均匀，记为A液。所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.2~4mg/ml。（2）将三聚硫氰酸溶于有机溶剂，搅拌均匀，记为B液。所述有机溶剂为氮甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙二胺、乙醇或二甲基亚砜中的一种。所述三聚硫氰酸溶液的浓度为7~30mg/ml,所述氧化石墨烯、三聚氰胺和三聚硫氰酸的质量比为1:0.3~4:0.4~7.所述去离子水和有机溶剂的体积比为1~5：1（3）在磁力搅拌的条件下，将B液缓慢滴入A液中，然后将所得溶液进行水浴加热并持续搅拌。水浴加热的时间为1h~24h，温度为50℃~120℃。（4）然后将样品干燥后，在真空环境下煅烧。所述干燥方法为真空干燥，冷冻干燥或者烘箱烘干。所述煅烧过程采用升温速率为5~25℃/min，升温到300~500℃保温1~3h，然后在以5~25℃/min的升温速率升温到700~900℃保温0.5~2h，最后降温过程通入氩气。采用上述工艺方法制备的本专利技术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、氮硫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.采用三聚氰胺和三聚硫氰酸为氮源和硫源，同时二者超分子聚合成碳骨架，在石墨烯的参与下，共同构筑成三维碳材料。3.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1三维氮硫共掺杂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专利技术作进一步阐述，但是本专利技术不局限于以下实施例。实施例1：（1）将30mg氧化石墨烯溶于30ml去离子水中，超声分散，然后加入0.063g三聚氰胺，搅拌均匀，记为A液。（2）将0.177g三聚硫氰酸溶于30ml乙醇中，搅拌均匀，记为B液。（3）在磁力搅拌的条件下，将B液缓慢滴入A液中，然后将所得溶液进行在80℃的条件下水浴加热10h并持续搅拌。（4）将样品冷冻干燥，然后在真空环境下以10℃/min的升温速率升温到350℃并保温2h,随后再以同样的升温速率升温到700℃保温2h，保温结束通入氩气保护进行降温过程。参照附图1，图1为本实施例制备样品的SEM照片。用日本电子公司的S-4800型扫描电子显微镜（SEM）进行形貌观察，能明显的看到多孔的三维纳米片结构。实施例2：（1）将60mg氧化石墨烯溶于30ml去离子水中，超声分散，然后加入0.063g三聚氰胺，搅拌均匀，记为A液。（2）将0.354g三聚硫氰酸溶于15ml氮甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀，记为B液。（3）在磁力搅拌的条件下，将B液缓慢滴入A液中，然后将所得溶液进行在100℃的条件下水浴加热2h并持续搅拌。（4）将样品冷冻干燥，然后在真空环境下以20℃/min的升温速率升温到500℃并保温2h,随后再以同样的升温速率升温到800℃保温1h，保温结束通入氩气保护进行降温过程。实施例3：（1）将100mg氧化石墨烯溶于25ml去离子水中，超声分散，然后加入0.126g三聚氰胺，搅拌均匀，记为A液。（2）将0.177g三聚硫氰酸溶于20ml氮甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀，记为B液。（3）在磁力搅拌的条件下，将B液缓慢滴入A液中，然后将所得溶液进行在120℃的条件下水浴加热1h并持续搅拌。（4）将样品冷冻干燥，然后在真空环境下以20℃/min的升温速率升温到400℃并保温3h,随后再以同样的升温速率升温到900℃保温0.5h，保温结束通入氩气保护进行降温过程。实施例4：（1）将100mg氧化石墨烯溶于20ml去离子水中，超声分散，然后加入0.084g三聚氰胺，搅拌均匀，记为A液。（2）将0.443g三聚硫氰酸溶于10ml二甲基甲酰胺中，搅拌均匀，记为B液。（3）在磁力搅拌的条件下，将B液缓慢滴入A液中，然后将所得溶液进行在60℃的条件下水浴加热2h并持续搅拌。（4）将样品冷冻干燥，然后在真空环境下以5℃/min的升温速率升温到500℃并保温2h,随后再以同样的升温速率升温到800℃保温1h，保温结束通入氩气保护进行降温过程。实施例5：（1）将80mg氧化石墨烯溶于40ml去离子水中，超声分散，然后加入0.126g三聚氰胺，搅拌均匀，记为A液。（2）将0.177g三聚硫氰酸溶于10ml氮甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀，记为B液。（3）在磁力搅拌的条件下，将B液缓慢滴入A液中，然后将所得溶液进行在80℃的条件下水浴加热1h并持续搅拌。（4）将样品冷冻干燥，然后在真空环境下以20℃/min的升温速率升温到400℃并保温3h,随后再以同样的升温速率升温到700℃保温2h，保温结束通入氩气保护进行降温过程。实施例6：（1）将8mg氧化石墨烯溶于40ml去离子水中，超声分散，然后加入32mg三聚氰胺，搅拌均匀，记为A液。（2）将56mg三聚硫氰酸溶于8ml氮甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀，记为B液。（3）在磁力搅拌的条件下，将B液缓慢滴入A液中，然后将所得溶液进行在50℃的条件下水浴加热24h并持续搅拌。（4）将样品冷冻干燥，然后在真空环境下以20℃/min的升温速率升温到300℃并保温3h,随后再以同样的升温速率升温到700℃保温2h，保温结束通入氩气保护进行降温过程。实施例7：（1）将160mg氧化石墨烯溶于4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将含有三聚硫氰酸的均匀溶液缓慢加入溶有三聚氰胺的氧化石墨烯水溶液中，50~120℃下充分搅拌；干燥产物，将产物置于真空环境下于300~500℃保温1~3h，再升温至700~900℃保温0.5~2h，通入惰性气氛直至降温结束，得到三维多孔氮硫掺杂碳纳米片。

【技术特征摘要】
1.一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将含有三聚硫氰酸的均匀溶液缓慢加入溶有三聚氰胺的氧化石墨烯水溶液中，50~120℃下充分搅拌；干燥产物，将产物置于真空环境下于300~500℃保温1~3h，再升温至700~900℃保温0.5~2h，通入惰性气氛直至降温结束，得到三维多孔氮硫掺杂碳纳米片。2.根据权利要求1所述的一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于：氧化石墨烯、三聚氰胺、及三聚硫氰酸的质量比为1:（0.3~4）:（0.4~7）。3.根据权利要求1所述的一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于：将包括氧化石墨烯、三聚氰胺、及三聚氢硫酸的混合液在50℃~120℃搅拌1~24h。4.根据权利要求1所述的一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于：含有三聚硫氰酸的均匀溶液的溶剂为氮甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙二胺、乙醇或二甲基亚砜中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于：所述溶有三聚氰胺的氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的浓度为0.2~4mg/ml。6.根据权利要求1所述的一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于：所述三聚硫氰酸溶液的浓度为7~30mg/ml。7.根据权利要求1所述的一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄剑锋，席乔，李嘉胤，曹丽云，王彩薇，李倩颖，王天，罗晓敏，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61