一种硼掺杂的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种硼掺杂的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用，制备时以氧化石墨烯为碳源，以硼酸为硼源，配制不同浓度的石墨烯分散液；利用简单的一步水热合成法制备了稳定高性能的硼掺杂石墨烯气凝胶。本发明专利技术通过水热反应获得的产物具有特殊的三维多孔结构，硼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，从而提高硼掺杂石墨烯气凝胶作为超级电容器电极的性能。墨烯气凝胶作为超级电容器电极的性能。墨烯气凝胶作为超级电容器电极的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种硼掺杂的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于超级电容器和半导体光电器件领域，涉及一种硼掺杂的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]石墨烯是一种厚度只有0.334nm的新型二维材料，具有高导热性、高导电性、大比表面积和易改性表面化学等特性，与传统的多孔碳材料相比，石墨烯具有包括高的电导率(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，石墨烯是一种带隙为零的半金属/半导体材料，这直接导致石墨烯较低的开关比和较大的漏电流，本征石墨烯官能团很少且和有机溶剂的相容性很差，极易团聚。因此需要对石墨烯进行掺杂调整其能带结构，从而打开石墨烯的带隙。
[0003]气凝胶是一种具有三维孔状结构的海绵状材料，因其孔隙率高、比表面积大和密度低的特点通常被作为一种理想的电极材料。此外，碳质气凝胶具有极好的导热性和导电性。三维孔状石墨烯气凝胶由二维石墨烯薄片通过化学交联形成，不仅拥有石墨烯的优异导电性、导热性和机械强度，而且孔隙率极高。石墨烯气凝胶的制备方法包括共价或非共价交联法、物理或化学活化法、原位还原法和定向模板法。
[0004]目前，已出版的文献报道有N,S等元素的掺杂的制备：如文献Materials Science and Engineering:B 242(2019)1，主要研究制备了具有丰富微孔的氮掺杂石墨烯气凝胶，表现出提高氧化还原反应的性能；文献Journal of Materials Science 55(2020)9676，主要研究用碳纤维增强的新型硫掺杂石墨烯气凝胶复合材料的开发，改善最终复合材料的机械稳定性。但是如何能够充分利用石墨烯气凝胶的电化学性能确缺乏相对应的研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种硼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乏充分利用石墨烯气凝胶电化学性能的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种硼掺杂石墨烯气凝胶制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，混合天然石墨粉和浓硫酸，搅拌后加入硝酸钠，形成混合溶液A，混合溶液A冷却至0℃后加入高锰酸钾，水浴加热后形成浆状物B；
[0009]步骤2，在浆状物B中加入去离子水和H2O2，待浆状物B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；
[0010]步骤3，将GO分散液和硼酸混合后进行水热反应，将水热反应产物晾干后真空干燥，得到硼掺杂石墨烯气凝胶。
[0011]本专利技术的进一步改进在于：
[0012]优选的，步骤1中，天然石墨粉和浓硫酸的混合比例为1～800mg：20mL，加入的硝酸
钠为0.5g。
[0013]优选的，步骤1中，1g的天然石墨粉加入3g的高锰酸钾。
[0014]优选的，步骤1中，水浴加热温度为35～40℃，水浴加热时间为30min。
[0015]优选的，步骤2中，所述超声分散时间为3h，GO分散液的浓度为1～8mg/mL。
[0016]优选的，步骤3中，硼酸的加入量为GO分散液质量的15％。
[0017]优选的，步骤3中，水热反应温度为180℃，水热反应时间为12h。
[0018]优选的，步骤3中，真空干燥时间为72h。
[0019]一种通过上述制备方法制得的硼掺杂石墨烯气凝胶，所述石墨烯气凝胶由片层状的石墨烯缠绕而成，形成三维结构的石墨烯，片层状的石墨烯之间形成有孔洞，孔洞中掺杂有B原子。
[0020]一种上述的硼掺杂石墨烯气凝胶在电容器领域方面的应用。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0022]本专利技术公开了一种硼掺杂的石墨烯气凝胶的制备方法，该制备方法采用合成原理简单、易于控制样品形貌的水热法，以GO为碳源，配制不同浓度的石墨烯分散液；以硼酸为硼源，合成了高孔隙率的硼掺杂石墨烯气凝胶，利用简单的一步水热合成法制备了稳定高性能的硼掺杂石墨烯气凝胶。具体制备过程中首先通过改进的Hummers法制备获得GO分散液，因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质，含氧基团的引入不仅使得氧化石墨烯具有化学稳定性，而且为合成石墨烯基/氧化石墨烯基材料提供表面修饰活性位置和较大的比表面积。同时水热反应的进行，薄纱状的石墨烯由于化学交联作用进而相互缠绕，使得片层状的石墨烯相互连通，且连通后彼此之间有孔洞，这是形成三维孔状硼掺杂石墨烯气凝胶的重要原因。TGA测试表明了水热还原过程中清除了硼掺杂石墨烯气凝胶中大量的含氧官能团，所以硼掺杂石墨烯气凝胶比GO拥有更好的热稳定性。并且由于石墨烯片层骨架的基面和边缘上有多种含氧官能团共存的结构，使得氧化石墨烯可以通过调控所含含氧官能团的种类及数量，来调制其导电性和带隙。该方法不仅合成方法简单，不需要昂贵的实验设备，极大的降低了成本，还能进行大面积的制备，因此在产业化生产方面具有广阔的应用前景。本专利技术采用的是一步水热法合成了高孔隙率的B-GA。水热法由于其简单性、商业可行性和可大规模生产的良好潜力而得到了广泛的应用。
[0023]本专利技术还公开了一种硼掺杂的石墨烯气凝胶，该气凝胶为通过水热反应获得的产物，具有特殊的三维多孔结构，硼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，且有效抑制石墨烯气凝胶片层堆叠，进而大幅提升了宏观石墨烯材料的比表面积。所制备的三维孔状石墨烯气凝胶由二维石墨烯化学交联形成，不仅拥有石墨烯的优异导电性、导热性和机械强度，而且孔隙率极高；通过硼掺杂调整石墨烯能带结构，从而提高其电化学性能。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，从而提高硼掺杂石墨烯气凝胶作为超级电容器电极的性能。本专利技术通过水热反应获得的硼掺杂石墨烯气凝胶具有三维多孔结构，展现出了超高的比电容、良好的倍率性能和长循环寿命。硼掺杂石墨烯气凝胶的孔洞在几微米-几十纳米之间，层级明显且相互连通的三维结构不仅阻止了石墨烯片层之间大范围的团聚，且增大了其比表面积，从而大幅提升了硼掺杂石墨烯气凝胶的离子传输效率和比电容，归因于石墨烯共轭π键的复原。
[0024]本专利技术还公开了一种硼掺杂石墨烯气凝胶在电容器领域方面的应用，通过一步水热法合成了高孔隙率的Si-GA，展现出了高比电容(267.1F/g)、良好的倍率性能和优异的纯电容行为。本专利技术的提供的硼掺杂石墨烯气凝胶的制备，三维孔状石墨烯气凝胶由二维石墨烯薄片通过化学交联形成，不仅拥有石墨烯的优异导电性、导热性和机械强度，而且孔隙率极高，硼掺杂石墨烯气凝胶片层完整有效的堆叠造就了层次清晰的边界。所制备的硼掺杂石墨烯气凝胶具有很高的比电容(1A/g时为267.1F/g)，优异的速率性能和长循环寿命。
【附图说本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硼掺杂石墨烯气凝胶制备方法，其特征在于，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，形成混合溶液A，混合溶液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，待浆状物B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分散液和硼酸混合后进行水热反应，将水热反应产物晾干后真空干燥，得到硼掺杂石墨烯气凝胶。2.根据权利要求1所述的一种硼掺杂石墨烯气凝胶制备方法，其特征在于，步骤1中，天然石墨粉和浓硫酸的混合比例为1～800mg：20mL，加入的硝酸钠为0.5g。3.根据权利要求1所述的一种硼掺杂石墨烯气凝胶制备方法，其特征在于，步骤1中，1g的天然石墨粉加入3g的高锰酸钾。4.根据权利要求1所述的一种硼掺杂石墨烯气凝胶制备方法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：于琦，蒋剑超，任帅，姜立运，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：