一种氮杂石墨烯和二氧化锰杂化气凝胶及其制备方法和用途技术

一种氮杂石墨烯和二氧化锰杂化气凝胶及其制备方法和用途。所述气凝胶由二维氮杂石墨烯片层组成的三维网络结构作为基底，在氮杂石墨烯片层上负载二氧化锰颗粒。其制备方法是通过将氮杂石墨烯水凝胶浸泡在高锰酸钾和硫酸钠的混合溶液中，利用高锰酸钾和氮杂石墨烯中的碳发生反应获得。反应后，二氧化锰被均匀的负载到氮杂石墨烯片层上。本发明专利技术提供的制备方法简单方便，适合于大规模生产。按照本发明专利技术制备的杂化气凝胶具有较高的比表面积、多孔的三维网络结构、较高的比容量以及良好的循环稳定性，从而可以将其应用在锂离子电池等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气凝胶材料及其制备方法和用途，特别涉及一种氮杂石墨烯和二氧化锰杂化气凝胶材料及其制备方法和用途。
技术介绍
近年来，石墨烯材料引起了人们广泛的关注。它是从石墨中剥离出来一种具有单层碳原子厚度的纳米材料。石墨烯是世界上现在已知的最薄的材料，它的厚度仅为一个碳原子的直径(0.142nm)。尽管它是世界上最薄的材料，然而科学家们通过使用原子尺寸的金属和钻石探针测试得知：石墨烯的强度竟然比世界上最好的钢铁还要高100倍。石墨烯具有许多优异的物理化学性质，比如大比表面积、良好的导电性、优异的化学稳定性以及出色的热稳定性。基于上述这些特性，石墨烯材料在锂离子电池、超级电容器、场效应晶体管、催化、生物传感器、水处理以及太阳能电池等领域有着很好的应用前景。目前，许多方法可以用来制备石墨烯材料，比如化学氧化还原法、化学气相沉积法、石墨液相剥离法、碳纳米管裁剪法、机械剥离法以及晶体表面外延生长法等。其中化学氧化还原法是指通过化学的手段还原单层的石墨烯氧化物。石墨烯氧化物是将石墨材料用浓硫酸、高锰酸钾等试剂氧化处理后得到的。在石墨烯氧化物的表面和边缘上有很多的含氧官能团，比如碳基、羧基、羟基和环氧等。由于这些含氧官能团的存在，石墨烯氧化物具有很好的亲水特性。气凝胶是一类具有大比表面积和低密度的多孔纳米材料。它通常是采用低温冷冻干燥或超临界干燥的方法，将湿凝胶中的溶剂用气体置换出来得到的。通过低温冷冻干燥或超临界干燥，气凝胶的网络结构没有显著的改变。气凝胶的孔隙率可以高达80％～99％，比表面积为200～2000m2g–1，孔径尺寸一般为1～100nm，室温下热导系数可达到0.012Wm–1k–1。正是由于上述特点，气凝胶材料在声学、热学、电化学、微电子等领域有很好的应用前景。在过去的几十年里，锂离子电池的应用越来越广泛。由于具有很高的理论比容量，过渡金属氧化物被认为是很好的阳极材料，比如二氧化锰、四氧化三钴、三氧化二铁、四氧化三铁、二氧化锡、二氧化钼等。在这些过渡金属氧化物中，二氧化锰是一种很有前景的阳极材料。它不仅具有较高的理论比容量、低成本、高密度，而且在地壳中的含量也很丰富。然而，要使二氧化锰真正的大规模应用于锂离子电池中，还有许多的问题需要解决。首先，在锂离子电池充放电过程中，基于二氧化锰的电极材料会发生很显著的体积改变，从而破坏电极材料和集流体的紧密接触，使电极材料从集流体上脱离下来，最终导致电化学性能衰减。另外，基于二氧化锰的电极材料通常具有较低的导电性，因此这些电极材料在充放电过程中具有较差的倍率性能。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的之一在于提供一种氮杂石墨烯和二氧化锰杂化气凝胶。本专利技术的杂化气凝胶不仅具有石墨烯多孔材料的特性，而且继承了二氧化锰的优异的电化学性能。为达上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种氮杂石墨烯和二氧化锰杂化气凝胶，其是由二维氮杂石墨烯片层组成的三维网络结构作为基底，在氮杂石墨烯片层上负载二氧化锰颗粒。由于石墨烯具有优异的导电性能，石墨烯和二氧化锰杂化材料的导电性能也将有很大提升，从而使得这种基于二氧化锰的多孔材料可以真正应用到锂离子电池领域。作为优选，所述气凝胶的密度为0.04-0.2gcm–3，比表面积为100-1000m2g–1。优选地，所述气凝胶的孔径为0.5nm-10μm，孔隙率为80.0-98.5％。优选地，所述气凝胶的电导率为10–4-100Scm–1。本专利技术的目的之一还在于提供本专利技术所述的氮杂石墨烯和二氧化锰杂化气凝胶的制备方法，利用高锰酸钾和氮杂石墨烯水凝胶发生氧化还原反应，利用高锰酸钾和氮杂石墨烯中的碳发生反应，一步法得到氮杂石墨烯和二氧化锰杂化多孔材料，反应后二氧化锰被均匀的负载到氮杂石墨烯片层上，然后经过洗涤、干燥得到氮杂石墨烯和二氧化锰杂化气凝胶。。作为优选，所述氮杂石墨烯水凝胶通过石墨烯氧化物水分散液与含氮化合物经过水热反应制得。优选地，所述石墨烯氧化物水分散液中石墨烯氧化物的浓度为1-10mgmL–1。优选地，所述水热反应的温度为100-200℃，反应的时间为2-24h。优选地，所述石墨烯氧化物与所述含氮化合物的质量比为1:1-1:200。优选地，所述含氮化合物可以是氨水、尿素、乙二胺和羟胺中的1种或2种以上的混合。作为优选，所述制备方法包括如下步骤：(1)制备石墨氧化物；可以使用现有技术进行制备，如申请号为CN201210053921.5,专利技术名称为“一种基于石墨烯氧化物的咪唑类多孔聚合物及其制备方法和应用”中石墨氧化物的制备方法；(2)将制得的石墨氧化物进行分散形成均匀的石墨烯氧化物水分散液；(3)将步骤(2)得到的石墨烯氧化物水分散液和含氮化合物的混合物进行水热反应，得到氮杂石墨烯水凝胶；(4)将步骤(3)得到的氮杂石墨烯水凝胶浸泡在高锰酸钾和硫酸钠的混合溶液中，一步法得到氮杂石墨烯和二氧化锰杂化水凝胶；任选地(5)将步骤(4)得到的杂化水凝胶洗涤，得到纯净的氮杂石墨烯和二氧化锰杂化水凝胶；(6)干燥氮杂石墨烯和二氧化锰杂化水凝胶，获得氮杂石墨烯和二氧化锰杂化气凝胶。专利技术人经过大量的实验研究发现：利用高锰酸钾和氮杂石墨烯水凝胶发生氧化还原反应，可以一步法得到氮杂石墨烯和二氧化锰杂化多孔材料。该反应制备方法简单，并且制备的多孔材料具有较高的比表面积和较好的锂电性能。本专利技术通过一种简便的方法，将二氧化锰引入到基于石墨烯的多孔材料中。石墨烯的多孔结构可以缓解二氧化锰体积的改变。同时，由于石墨烯具有优异的导电性能，石墨烯和二氧化锰杂化材料的导电性能也将有很大提升，从而使得这种基于二氧化锰的多孔材料可以真正应用到锂离子电池领域。本专利技术的方法工艺简单，适合于大规模生产。作为优选，步骤(2)中分散采用超声进行。优选地，所述超声的功率为50-500W，超声的频率为10-100KHz。优选地，所述石墨烯氧化物水分散液中石墨烯氧化物的浓度为1-10mgmL–1。作为优选，步骤(3)中所述水热反应的温度为100-200℃，反应的时间为2-24h。优选地，所述水热反应通过将混合物放入水热反应釜中，然后将其在烘箱中进行。优选地，所述水热反应釜为高压反应釜。作为优选，步骤(4)中所述浸泡的时间为30-300min。优选地，所述高锰酸钾的浓度为0.05-0.5M。优选地，所述硫酸钠的浓度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮杂石墨烯和二氧化锰杂化气凝胶，其特征在于，其是由二维氮杂石墨烯片层组成的三维网络结构作为基底，在氮杂石墨烯片层上负载二氧化锰颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种氮杂石墨烯和二氧化锰杂化气凝胶，其特征在于，其是由二维氮杂
石墨烯片层组成的三维网络结构作为基底，在氮杂石墨烯片层上负载二氧化锰
颗粒。
2.根据权利要求1所述的氮杂石墨烯和二氧化锰杂化气凝胶，其特征在于，
所述气凝胶的密度为0.04-0.2gcm–3，比表面积为100-1000m2g–1；
优选地，所述气凝胶的孔径为0.5nm-10μm，孔隙率为80.0-98.5％；
优选地，所述气凝胶的电导率为10–4-100Scm–1。
3.一种权利要求1或2所述的氮杂石墨烯和二氧化锰杂化气凝胶的制备方
法，其特征在于，利用高锰酸钾和氮杂石墨烯水凝胶发生氧化还原反应，一步
法得到氮杂石墨烯和二氧化锰杂化多孔材料，然后经过洗涤、干燥得到氮杂石
墨烯和二氧化锰杂化气凝胶。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述氮杂石墨烯水凝胶
通过石墨烯氧化物水分散液与含氮化合物经过水热反应制得；
优选地，所述石墨烯氧化物水分散液中石墨烯氧化物的浓度为1-10mg
mL–1；
优选地，所述水热反应的温度为100-200℃，反应的时间为2-24h；
优选地，所述石墨烯氧化物与所述含氮化合物的质量比为1:1-1:200；
优选地，所述含氮化合物为氨水、尿素、乙二胺和羟胺中的1种或2种以
上的混合。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括
如下步骤：
(1)制备石墨氧化物；
(2)将制得的石墨氧化物进行分散形成石墨烯氧化物水分散液；
(3)将步骤(2)得到的石墨烯氧化物水分散液和含氮化合物的混合物进
行水热反应，得到氮杂石墨烯水凝胶；
(4)将步骤(3)得到的氮杂石墨烯水凝胶浸泡在高锰酸钾和硫酸钠的混
合溶液中，一步法得到氮杂石...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩宝航，隋竹银，杨全胜，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11