本发明是一种氮/硫共掺三维石墨烯海绵的制备方法，属于一种石墨烯宏观体的制备方法。
背景技术：
锂硫电池是一种依靠锂与硫的氧化还原反应，造成硫-硫键的断裂/生成与电子转移，实现化学能与电能间相互转换的二次电池。锂硫电池理论比能量为2600Wh/Kg，是目前锂离子电池理论比能量(500WhKg-1)的5倍，被公认为下一代最具前景的锂二次电池。有望在便携式电子产品、电动汽车、航天飞行器以及电网传输等领域得到广泛应用，在当今社会、经济及科技的发展上发挥着巨大的作用，具有十分光明的应用前景。
但是室温条件下，单质硫电导率低，在锂硫电池充放电过程中生成可溶性的多硫化物，造成多种副反应与体积变化，导致锂硫电池正极活性物质利用率低、倍率性能差以及循环寿命短，制约硫作为锂二次电池正极材料电池的发展。因而，提高锂硫电池正极活性物质利用率和循环寿命以及改善倍率性能成为锂硫电池是今后的重点发展方向。
石墨烯是一种新型二维纳米材料，其纳米片是由sp2杂化碳原子组成的单原子层厚度的二维材料，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，强度高达1.01TPa，是结构钢的100倍，密度却是结构钢的1/5。导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下电子迁移率超过200000cm2/V·S，高于纳米碳管或硅晶体，电阻率只约1Ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。
石墨烯具有非常高的电导率，将其用于锂硫电池正极材料可以解决硫元素不导电的问题，提高正极材料导电性。石墨烯属于纳米级材料，具有表面活性，易与其他材料粒子结合，易于固定多硫化物，防止发生穿梭效应。由于石墨烯的韧性和强度，以石墨烯作为锂硫电池正极材料骨架，能有效解决锂硫电池正极材料体积变化问题。但传统二维石墨烯正极材料很难提高其自身比表面积，对固定多硫化物的贡献有限。三维石墨烯具有多孔结构，高比表面积，高导电性和高机械强度，因此成为锂硫电池正极材料理想骨架。
技术实现要素：
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种氮/硫共掺三维石墨烯海绵的制备方法，其目的是以水热反应的方式，通过高温高压，将氧化石墨烯还原成石墨烯，形成三维海绵状石墨烯，解决锂硫电池正极材料存在的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种氮/硫共掺三维石墨烯海绵的制备方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、氧化石墨烯/硫脲混合物的制备
将氧化石墨烯溶于去离子水中，得到氧化石墨烯水溶液，该溶液中氧化石墨烯的浓度为2.6mg/ml～15.6mg/ml；
步骤二、将硫脲加入到氧化石墨烯水溶中，再利用超声振荡进行均匀分散，形成氧化石墨烯/硫脲混合溶液，氧化石墨烯与硫脲的质量比为1:4～1:10；
步骤三、将氧化石墨烯/硫脲混合溶液导入水热反应釜中，再将水热反应釜放入干燥炉中进行水热反应，水热反应温度为150～200℃，加热时间为12～24h，得到氮/硫共掺三维石墨烯；
该步骤中，氧化石墨烯被还原成石墨烯，同时石墨烯自组装成三维石墨烯宏观体，并在石墨烯基体中掺杂氮元素和硫元素；
步骤四、用去离子水反复清洗剩余硫脲后，将氮/硫共掺三维石墨烯进行冷冻干燥，冷冻干燥温度为-55℃，时间为72h。
氧化石墨烯为片状，其外廓尺寸为10μm～20μm。
本发明技术方案与以往三维石墨烯海绵制备方法的区别在于引入了含有氮和硫的官能团，这些官能团取代氧化石墨烯表面或边缘原有的羟基和羧基基团。这些含氮和硫的官能团在锂硫电极反应过程中与多硫化物产生强烈相互作用，从而增强对多硫化物的固定作用。经电化学性能测试，以该三维石墨烯海绵作为正极材料的锂硫电池在0.2C倍率下，初始比容量高达1200mAh/g。
通过上述技术方案获得的氮/硫共掺具有明显的优点。以氮/硫共掺石墨烯作为锂硫电池正极材料，可以发挥以下优势：首先，石墨烯的高电导率有利于提高锂硫电池正极材料的导电性；其次，三维石墨烯的多孔结构、高比表面积以及表面的官能团，能有效固定多硫化物；最后，石墨烯的高强度和高韧性能够能有效调节多硫化物在电极反应过程中产生的体积变化。以氮/硫共掺三维石墨烯海绵作为锂硫电池正极材料能够有效提高锂硫电池的电化学性能。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例
采用本发明方法制备氮/硫共掺三维石墨烯海绵的步骤如下：
步骤1：配制氧化石墨烯与硫脲混合溶液；
(1)将260mg氧化石墨烯溶于100ml去离子水中；
(2)将称取的硫脲1.52g硫脲溶入氧化石墨烯溶液中；
(3)将步骤b中制备的氧化石墨烯溶液放入超声波震荡器中搅拌30min；
步骤2：氧化石墨烯与硫脲混合溶液导入水热反应釜中；
步骤3：将步骤2所得水热反应釜放入在干燥炉中，180℃，24小时，进行水热反应；
步骤4：将步骤3所得氮/氮共掺三维石墨烯海绵用去离子水反复清洗剩余硫脲；
步骤5：将步骤4所得碳/氮共掺海绵石墨烯冷冻干燥。
通过上述方法，实现了石墨烯自组装成为三维石墨烯海绵以及氮/硫官能团在石墨烯表面的掺杂，通过本工艺可以较精确的控制三维石墨烯海绵的密度，同时本工艺简单，易于实现大批量的氮/硫共掺石墨烯海绵的制备，有利于工程应用。