本發明專利技術公開了一種高分散氮摻雜石墨烯的制備方法，該制備方法是：80℃水浴條件下，不使用其它氧化劑，利用氧化石墨烯(GO)的氧化性使吡咯在氧化石墨烯表面原位氧化聚合成聚吡咯(PPy)，得到PPy/rGO復合物。所述PPy/rGO復合物經高溫煅燒可得到高分散的氮摻雜石墨烯。其中，PPy層不僅作為氮摻雜的氮源，其在GO表面均勻聚合能有效地將GO片層支撐開，防止GO團聚；二者均勻“生長”在一起能有效防止煅燒過程中氮的流失，從而得到高分散高氮含量的氮摻雜石墨烯。本發明專利技術涉及的制備高分散氮摻雜石墨烯的方法只涉及簡單的水浴反應和熱處理過程，整個制備工藝簡單且易于放量生產。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種。
技術介紹
石墨烯作為一種由碳原子周期性緊密堆積成六角形蜂巢結構的二維碳材料，擁有優異的導電導熱等性質，在不同領域受到廣泛關注與研究。近年來，人們通過不同的方法來調控石墨烯以擴展石墨烯的應用范圍，如形貌控制。二維石墨烯納米片，一維石墨烯納米棒以及零維石墨烯量子點在不同領域被廣泛報道。除了形貌控制，化學摻雜，即在石墨烯的晶格中引入另外一種原子，如氮、硼原子等，是另外一種常見的石墨烯改性的方法。氮原子摻雜到石墨烯骨架中以后，能夠改變附近碳原子的電荷分布和電子自旋密度，使石墨烯表面產生一些活性中心，這些活性中心對某些化學反應具有催化活性，這將石墨烯的應用范圍拓展到催化領域。氮摻雜石墨烯的制備方法主要包括直接合成法和間接合成法。直接合成法包括化學氣相沉積法(CVD)，分離析出生長法，溶劑熱法和弧放電生長法，這些方法可以得到氮原子均勻摻雜的石墨烯，但是制備過程復雜，成本較高，產量較低。間接合成法包括熱處理法，等離子濺射法和聯胺處理法等。等離子濺射法對設備和工藝要求高，聯胺處理法對環境污染較大，所以，熱處理法是報道最多的間接制備氮摻雜石墨烯的方法。例如，人們首先在石墨烯或氧化石墨烯的表面包覆一層氮前驅體，如聚吡咯，聚苯胺和三聚氰胺等，然后再通過高溫熱處理分解氮前驅體的方法來實現氮原子的摻雜。然而，這種方法雖然工藝簡單，但是只能實現石墨烯表面摻雜，而且隨著熱處理溫度的升高，氮流失嚴重，產物中氮含量偏低。例如，人們通常在常溫下使用FeCl3作為氧化劑來氧化吡咯聚合的方法來制備聚吡咯(PPy)和石墨烯復合物。這種方法雖然能夠得到均勻的PPy/石墨烯或者氧化石墨烯的復合物，但是二者僅僅是“附著”在一起，而不是“生長”在一起。因此，在熱處理過程中氮容易流失，產物含氮量不高。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是提供一種。為了解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案是:，包括以下步驟:(1)將膨脹石墨、硝酸鈉和高錳酸鉀按質量比(1?2): 1: 6分散到一定量的濃硫酸中，攪拌8?20h，將得到的懸濁物稀釋，滴加30%雙氧水反應掉過量的高錳酸鉀，得到的溶液經離心洗滌數次后得到氧化石墨烯(G0);(2)稱取一定量的分散劑溶于去離子水中得到質量分數為0.25%?1.0%的分散劑水溶液；將步驟(1)得到的氧化石墨烯加入到上述分散劑水溶液中，劇烈攪拌0.5h以上使氧化石墨烯充分分散得到氧化石墨烯分散液；向氧化石墨烯分散液中加入質量分數為0.04%?0.4%的甲醛溶液和質量分數為0.2%?1.0%的吡咯溶液，得到氧化石墨烯/甲醛/吡咯混合液；將氧化石墨烯/甲醛/吡咯混合液轉移到水浴鍋中進行水浴反應；水浴反應完成后經抽濾、洗滌、烘干得到PPy/rGO復合物；(3)在惰性氣氛保護下，將步驟(2)得到的PPy/rGO復合物經高溫煅燒得到高分散氮摻雜石墨烯。作為優選，步驟(1)中濃硫酸為50?100mL。作為優選，步驟(2)中分散劑為乙氧基-丙氧基形成的兩性三嵌段聚合物P123或者 F127。作為優選，甲醛溶液直接加入到氧化石墨烯分散液中；吡咯經溶解到等體積水和乙醇混合液中經超聲分散后再加入到氧化石墨烯分散液中。作為優選，步驟(2)中水浴反應的溫度為70?90°C，水浴反應的時間為5?10h。作為優選，步驟(3)中惰性氣體為氮氣、氬氣或者氦氣中的一種；高溫煅燒的溫度為800?1500°C，時間為3ho作為優選，步驟(3)中，高溫煅燒按以下升溫速率由室溫升至目標溫度，再以與升溫速率一致的降溫速率降至室溫；升溫速率為:室溫-500°C，5°C /min ;500?800°C，10°C /min ；800 ?1000°C，5°C /min ；1000 ?1400°C，3°C /min ；1400 ?1500°C，2°C /min。作為優選，步驟(3)中將PPy/rGO復合物置于管式爐中高溫煅燒。本專利技術的有益效果是:1)通過水浴反應和高溫煅燒的方法，工藝簡單，對設備沒有苛刻要求，產量高，易于放量生產。該摻氮方法過程中不使用水合肼以及氨水等有毒物質，工藝較為環保。2)不使用第三方氧化劑，利用氧化石墨烯的氧化性氧化吡咯聚合，煅燒過程中，氮流失較少，產物氮含量較高。3)聚吡咯原位聚合到氧化石墨烯表面上，其不僅作為氮源，而且能有效地將氧化石墨烯的片層支撐開，防止氧化石墨烯的團聚，從而得到高分散的產物。4)制備得到的高分散氮摻雜石墨烯氮含量較高，其已經成功應用于鋰離子電池、鋰硫電池電極活性物質導電骨架以及鋰空氣電池催化劑載體等能量儲存與轉換器件中，并表現出優異的性能。【附圖說明】下面結合附圖和【具體實施方式】對本專利技術作進一步詳細的說明。圖1是本專利技術實施例的制備氮摻雜石墨烯流程示意圖。圖2是本專利技術實施例1制備得到的氮摻雜石墨烯的掃描電鏡照片。圖3是本專利技術實施例1制備得到的氮摻雜石墨烯構筑的S/氮摻雜石墨烯復合正極在100mA/g(0.06C倍率)電流密度下的充放電曲線。【具體實施方式】圖1為本專利技術中制備氮摻雜石墨烯的流程示意圖，其大致過程如下:(1)通過改進的Hu_er法制備氧化石墨稀(G0) ； (2)在GO的表面原位聚合一層均勾的聚P比略(PPy)，得到PPy/rGO復合物；(3)PPy/rGO經過高溫煅燒得到高分散氮摻雜石墨烯。實施例1稱取1.0g膨脹石墨，1.0g NaN03，3.0g謂1104于100mL燒杯中，緩慢加入60mL濃硫酸，攪拌12h。去除溶液上層漂浮的未反應的膨脹石墨，將混合溶液倒入400mL三次水中攪拌，待燒杯冷卻后，逐滴滴加雙氧水(30%，質量分數)，直到得到亮黃色氧化石墨烯(G0)溶液；離心并用三次水洗滌3次，得到棕黃色G0溶膠。將1.0g P123分散到300mL水中，劇烈攪拌產生大量白色泡沫，以使P123充分分散。然后將G0加入到P123的分散液中，繼續攪拌30min，得到G0分散液。將0.4g甲醛溶液加入上述G0分散液中；將0.5g吡咯(Py)分散在30mL乙醇和30mL水混合液中，超聲分散后加入到G0分散液中。將G0分散液轉入到80°C恒溫水浴中，反應10h。最后將得到的產物洗滌，干燥，氮氣氣氛下煅燒1500°C煅燒得到氮摻雜石墨烯。經元素分析測定其氮含量為2.413%。圖2為本實施例制備得到的產物的掃描電鏡照片，可以看出制備得到的氮摻雜石墨烯呈高度分散的狀態，沒有發生明顯團聚。圖3是本實施例制備的氮摻雜石墨烯作為鋰硫電池正極硫導電骨架得到的S/NG復合正極材料的充放電曲線。實施例2稱取1.0g膨脹石墨，1.0g NaN03，3.0g謂1104于100mL燒杯中，緩慢加入60mL濃硫酸，攪拌12h。去除溶液上層漂浮的未反應的膨脹石墨，將混合溶液倒入400mL三次水中攪拌，待燒杯冷卻后，逐滴滴加雙氧水(30%，質量分數)，直到得到亮黃色氧化石墨烯(G0)溶液；離心并用三次水洗滌3次，得到棕黃色G0溶膠。將1.0g P123分散到300mL水中，劇烈攪拌產生大量白色泡沫，以使P123充分分散，然后將G0加入到P123當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...
【技術保護點】
高分散氮摻雜石墨烯的制備方法，包括以下步驟：(1)將膨脹石墨、硝酸鈉和高錳酸鉀按質量比(1～2)∶1∶6分散到一定量的濃硫酸中，攪拌8～20h，將得到的懸濁物稀釋，滴加30％雙氧水反應掉過量的高錳酸鉀，得到的溶液經離心洗滌數次后得到氧化石墨烯；(2)稱取一定量的分散劑溶于去離子水中得到質量分數為0.25％～1.0％的分散劑水溶液；將步驟(1)得到的氧化石墨烯加入到上述分散劑水溶液中，劇烈攪拌0.5h以上使氧化石墨烯充分分散得到氧化石墨烯分散液；向所述氧化石墨烯分散液中加入質量分數為0.04％～0.4％的甲醛溶液和質量分數為0.2％～1.0％的吡咯溶液，得到氧化石墨烯/甲醛/吡咯混合液；將所述氧化石墨烯/甲醛/吡咯混合液轉移到水浴鍋中進行水浴反應；水浴反應完成后經抽濾、洗滌、烘干得到PPy/rGO復合物；(3)在惰性氣氛保護下，將步驟(2)得到的PPy/rGO復合物經高溫煅燒得到高分散氮摻雜石墨烯。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：曹勇，
申請(專利權)人：合肥國軒高科動力能源有限公司，
類型：發明
國別省市：安徽;34
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