一种多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶的制备方法，首先将氧化石墨在水中超声剥离，得到氧化石墨烯溶液；再加入离子液体，并混合均匀，得到氧化石墨烯和离子液体的混合溶液；将混合溶液冷冻干燥，得到疏松多孔的氧化石墨烯凝胶；再将所述氧化石墨烯凝胶在惰性气体氛围下高温煅烧，得到多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶。本发明专利技术通过将离子液体和氧化石墨烯纳米片混合，然后通过煅烧让氮元素、硫元素、磷元素、硼元素或氟元素掺杂进入石墨烯的晶体中，同时氧化石墨烯也还原成石墨烯，并形成了多孔气凝胶结构，比表面积大，制备方法简单、成本低、产品应用前景广阔。

Method for preparing multi-element doped three-dimensional porous graphene aerogel

The invention discloses a preparation method of multi-element doped porous graphene aerogel, the graphite oxide in water by ultrasonic stripping, graphene oxide solution; adding ionic liquid, and mixing, mixing graphene oxide and ionic liquid solution; the mixed solution was freeze drying. Graphene oxide gel porous; then calcined at high temperature in an inert gas atmosphere of the graphene oxide gel, three-dimensional porous graphene aerogel multi element doping. The ionic liquid and the graphene oxide nanosheets are mixed, followed by calcination of nitrogen and sulfur elements, to phosphorus and boron or fluorine doped into graphene crystals, while graphene oxide is reduced to graphene, and the formation of the porous aerogel structure, large surface area, the preparation method is simple, low cost, wide application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶的制备方法
本专利技术属于纳米材料制备领域，更具体地，涉及一种多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶的制备方法。
技术介绍
石墨烯最初是由2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用剥离法分离得到。由于其完美的二维晶体结构展现出优异的光学、电学、力学和热学性能，包括在室温下，石墨烯载流子迁移率高达15000平方厘米/伏·秒；在低温下，单层石墨烯载流子迁移率可达200000平方厘米/伏·秒；单层石墨烯的透光率可达97.6％；单层石墨烯的导热系数可达5300瓦特/米·摄氏度；石墨烯的比表面积也是相当可观2600平方米/克。这些优异的物理、化学性质和独特的结构使石墨烯得到了广泛关注，不断地应用于各个领域。石墨烯不仅有望作为二维纳米材料展现特殊的性质，而且可以组装成宏观材料。随着研究的深入，引入杂原子掺杂石墨烯可以使得石墨烯具有电催化活性。异质原子，例如硼、氮、硫等，可以掺杂进石墨烯的晶格，使得石墨烯带宽改变，增加石墨烯的缺陷及区域反应活性，从而提升石墨烯的性能和应用。掺杂石墨烯的应用范围非常广泛，主要有燃料电池催化剂、超级电容器、锂离子电池、散热膜、场效应晶体管、太阳能电池、传感器等。多掺杂石墨烯能够带来协同效应以提高氧还原的活性。硼是第三主族元素，具有强烈的吸电子效应，是p型掺杂的一种。硼原子的掺杂有利于氧气的吸附，促进O-O键的断裂，还可以增加材料的比表面积，提高催化活性。硫和碳的电负性相近同样可以作为杂原子掺杂进入碳的晶格，硫掺杂石墨烯属于n型掺杂。硫掺杂石墨烯是一个四电子的转移，C-S键可以起氧化还原反应作用，有利于材料的储能催化作用。磷和氮同样作为第五主族的元素，电负性为2.19和3.04，属于n型掺杂。C-P键和吡咯氮和吡啶氮和石墨氮的存在，对于氧还原效果的提升有很大的帮助。而卤族元素，比如氟、氯、溴和碘，它们的电负性比碳原子更强，可以对石墨烯进行掺杂。掺杂后的卤族元素有利于氧气的吸附，提高材料的氧还原活性。现有技术作为掺杂源的主要有氨气、硫脲、磷酸盐、磷化铜、磷片、水合肼、三聚氰胺，这些物质作为掺杂源时需要的量大，还会产生较大的污染物质气体：废弃物NH3、NO、PH3，固体废弃物等。另外，现有技术的掺杂源和氧化石墨烯进行组装时，需要在高温(180～200℃)条件下进行，反应条件苛刻。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶的制备方法，其目的在于通过冷冻组装氧化石墨烯和离子液体的混合物来制备均匀的离子液体-石墨烯组装体，再经过热解来制备共掺杂石墨烯气凝胶，离子液体作为氮源、磷源、硫源、氟源或硼源，由此解决现有技术掺杂的多孔石墨烯气凝胶制备方法中掺杂源需求量大、产生污染，制备工艺复杂、反应条件苛刻、成本高、产品产量低以及密集堆积的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶的制备方法，包括如下步骤：(1)将氧化石墨在水中超声分散，得到氧化石墨烯溶液；(2)向步骤(1)得到的氧化石墨烯溶液中加入离子液体，并混合均匀，得到氧化石墨烯和离子液体的混合溶液；(3)将步骤(2)得到的混合溶液冷冻干燥，得到氧化石墨烯凝胶；(4)将步骤(3)所述氧化石墨烯凝胶在惰性气体氛围下高温煅烧，得到多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶。优选地，步骤(1)所述氧化石墨烯溶液的浓度为3～8mg/mL，优选为4～6mg/mL。优选地，步骤(2)所述离子液体为含有N、S、P、B或卤族元素的离子液体。优选地，步骤(2)所述离子液体为1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1丁基-3甲基咪唑三氟甲磺酸盐或1-丁基-3甲基咪唑六氟磷酸。优选地，步骤(2)所述混合溶液中离子液体的浓度为5～15mg/mL。优选地，步骤(3)所述冷冻干燥的温度为-10～-60℃。优选地，步骤(3)所述冷冻干燥时间为36～72小时。优选地，步骤(4)所述高温煅烧在管式炉中进行，所述惰性气体的流量为70～120标准毫升/分钟。优选地，步骤(4)所述惰性气体为氮气、氩气或氦气。优选地，步骤(4)所述的煅烧温度为600～1200℃，反应时间为1～3小时。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。(1)与现有技术相比，本专利技术通过加入离子液体后冷冻干燥得到多孔的氧化石墨烯凝胶，这种多孔结构有利于材料的后续应用，并且均匀分散其中的离子液体在高温反应后，将自身携带的氮、磷、氟、硫或硼元素均匀掺杂入石墨烯晶体结构中，避免了以往技术中另外增加大量含有待掺杂元素的其他物质，简化了制备工艺，降低了制备成本，提高了产率。(2)本专利技术采用离子液体作为多元素掺杂的掺杂源，利用离子液体的分子链带正电和氧化石墨烯纳米片带负电之间的静电作用诱发氧化石墨烯的低温自组装，反应条件温和。(3)本专利技术中共掺杂的处理量大，氮、磷、氟、硫或硼元素的元素含量可调节，易规模化生产，可应用于氮、磷、硫、氟或硼元素共掺杂石墨烯的工业化生产中，满足催化和储能等领域对元素掺杂石墨烯的产量要求。(4)本专利技术利用离子液体作为多孔氮、磷、氟、硫或硼元素的来源，共掺杂入石墨烯，可以同时实现多元素共掺杂，且需要的量少，附带污染物少。(5)按照本专利技术的制备方法制备得到的多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶比表面积大，具有良好的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的氮磷共掺杂石墨烯气凝胶的扫描电子显微镜图。图2为本专利技术实施例1制备的氮磷共掺杂石墨烯气凝胶的透射电子显微镜图。图3为本专利技术实施例1制备的氮磷共掺杂石墨烯气凝胶中C1s的X射线光电子能谱图。图4为本专利技术实施例1制备的氮磷共掺杂石墨烯气凝胶中N1s的X射线光电子能谱图。图5为本专利技术实施例1制备的氮磷共掺杂石墨烯气凝胶中P2p的X射线光电子能谱图。图6本专利技术实施例1制备的氮磷共掺杂石墨烯气凝胶中F1s的X射线光电子能谱图图7为本专利技术实施例1制备的氮磷共掺杂石墨烯气凝胶实物图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术的一种多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶的制备方法，包括如下步骤：(1)将氧化石墨在水中超声剥离，即超声分散，得到氧化石墨烯溶液；(2)向步骤(1)得到的氧化石墨烯溶液中加入离子液体，并混合均匀，得到氧化石墨烯和离子液体的混合溶液；(3)将步骤(2)得到的混合溶液冷冻干燥，得到疏松多孔的氧化石墨烯凝胶；(4)将步骤(3)所述氧化石墨烯凝胶在惰性气体氛围下高温煅烧，得到多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶。步骤(1)所述氧化石墨烯溶液的浓度为3～8mg/mL，优选为4～6mg/mL。步骤(2)所述离子液体为含有N、S、P、B或卤族元素的离子液体，优选为1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1丁基-3甲基咪唑三氟甲磺酸盐或1-丁基-3甲基咪唑六氟磷酸。步骤(2)所述混合溶液中离子液体的浓度为5～15mg/mL。步骤(3)所述冷冻干燥的温度为-10～-60本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将氧化石墨在水中超声分散，得到氧化石墨烯溶液；(2)向步骤(1)得到的氧化石墨烯溶液中加入离子液体，并混合均匀，得到氧化石墨烯和离子液体的混合溶液；(3)将步骤(2)得到的混合溶液冷冻干燥，得到氧化石墨烯凝胶；(4)将步骤(3)所述氧化石墨烯凝胶在惰性气体氛围下高温煅烧，得到多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将氧化石墨在水中超声分散，得到氧化石墨烯溶液；(2)向步骤(1)得到的氧化石墨烯溶液中加入离子液体，并混合均匀，得到氧化石墨烯和离子液体的混合溶液；(3)将步骤(2)得到的混合溶液冷冻干燥，得到氧化石墨烯凝胶；(4)将步骤(3)所述氧化石墨烯凝胶在惰性气体氛围下高温煅烧，得到多元素掺杂的三维多孔石墨烯气凝胶。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述氧化石墨烯溶液的浓度为3～8mg/mL，优选为4～6mg/mL。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述离子液体为含有N、S、P、B或卤族元素的离子液体。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述离子液体为1-丁基...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖菲，张艳，肖健，王露，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42