一种氮硫共掺杂三维石墨烯泡沫电极活性材料的制备方法与流程

文档序号：16322060发布日期：2018-12-19 05:44阅读：284来源：国知局

本发明涉及石墨烯电极材料技术领域，特别涉及一种氮硫共掺杂三维石墨烯泡沫电极材料的制备方法。

背景技术

众所周知，石墨烯是一种具有完美结构的由碳原子组成的单原子层厚度的二维晶体。然而石墨烯缺少固有的带隙以及在实验中极易重堆叠的问题限制了其在各领域的实际应用。研究表明，异原子掺杂能够有效的打开石墨烯的带隙，使得物理化学和电学性能得到明显的改善。另外，将石墨烯结构三维化调控可解其易堆叠的问题。常见的掺杂石墨烯方法有cvd法、球磨法、等离子体法、电弧放电法、湿化学法以及热处理法。相比之下，湿化学法占据实验条件简单并其可实现三维凝胶碳网络的优点而被广泛应用。

在锂离子电池和钠离子电池等能源方向，掺杂石墨烯具有优异的电化学性能已经被广泛研究做为一种电极材料，比如申请公布号为cn105565306a的专利中公开了一种高密度氮掺杂石墨烯及其制备方法。该方法报道了氧化石墨烯和氮源通过水热法制备了氮掺杂石墨烯并应用在锂电上，相比石墨烯提高了材料的比容量。二维掺杂石墨烯作为电极材料虽然能明显提高材料的比容量，但是在动力学上仍然存由有很大的提升空间。很多研究表明，三维结构具有贯通交联的结构，能有效缩短锂离子或者钠离子的扩散路径，提高电化学反应的动力学。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种氮硫共掺杂三维石墨烯泡沫电极材料的制备方法，该方法操作简单，安全无毒。产物比表面积大，具有同时实现掺杂和构造三维结构的优点。可应用在锂离子电池和钠离子电池等能源方向，而且可作为碳载体负载硫或硒用于锂硫或锂硒电池正极。利用此方法制备的电极可应用在锂离子电池和钠离子电池领域，而且可作为碳载体负载硫或硒用于锂硫或锂硒电池正极。

具体技术方案如下：一种氮硫共掺杂三维石墨烯泡沫电极材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将氧化石墨烯和分散于去离子水和乙醇混合溶剂中，得到氧化石墨烯分散液，然后依次加入三聚氰胺和三聚硫氰酸，搅拌均匀。

（2）将泡沫镍直接切成30*60mm的大小，浸入（1）的液体中，然后装入100ml的聚四氟乙烯反应釜中进行水热反应。

（3）水热完成后，将产物冷冻干燥，最后在氩气保护下，于管式炉中进行热处理。

（4）热处理完成后，将产物置于5%的稀盐酸中，刻蚀掉泡沫镍。经多次离心洗涤后烘干样品，既得到氮硫共掺杂三维石墨烯泡沫。

具体的氧化石墨烯、三聚氰胺三聚硫氰酸和质量比为1:0.2~2:0.2~2.5。混合溶剂去离子水和乙醇的体积比为1~7:1。

所述泡沫镍厚度为0.5~2mm。

所述水热反应中，水热反应时间为4~36h，水热温度为100℃~200℃。

热处理中，升温速率为2~20℃/min，热处理温度为500~1200℃，时间为1h~5h。

采用上述工艺方法制备的本发明，具有如下有益的效果：

本发明采用三聚氰胺和三聚硫氰酸掺杂剂，在水热反应和热处理程中实现氮、硫、氧多元素掺杂。同时以泡沫镍为基体，在水热反应中使得三聚氰胺和三聚硫氰酸在泡沫镍上聚合生长，并且氧化石墨烯，在高温处理过程中同时实现硬碳材料的催化石墨化，生成石墨化程度高的三维掺杂石墨烯泡沫。本发明优点在于采用水热法同时实现掺杂、构造三维结构、以及催化石墨化。产物氮元素含量在3~7%，硫元素含量在1~3%，氧含量在4~12%，掺杂量可控；并且实验方法安全无毒，成本低廉，操作简便。所制备的掺杂三维掺杂石墨烯泡沫电极，可在锂离子电池，超级电容器以及电催化等领域应用。因此本发明提供的方法具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例3未刻蚀泡沫镍的低倍扫描电镜照片；

图2为实施例3刻蚀掉泡沫镍之后的扫描电镜照片；

图3为实施例3氮硫共掺杂三维石墨烯泡沫的x射线衍射图谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述，但是本发明不局限于以下实施例。

实施例1：

（1）首先将50mg氧化石墨烯分散于70ml去离子水和10ml乙醇的混合溶剂中，得到氧化石墨烯分散液，经过超声剥离氧化石墨烯后依次加入0.03g三聚氰胺和0.04g三聚硫氰酸，80℃搅拌至完全溶解。

（2）将30*60*0.5mm的泡沫镍浸入（1）的液体中，然后装入100ml的聚四氟乙烯反应釜中进行水热反应。水热反应时间为4h，水热温度为100℃。

（3）水热产物冷冻干燥后置于管式炉中，在氩气保护的气氛下以2℃/min的升温速率升温到500℃保温5h。