[发明专利]杂原子掺杂表面带孔石墨烯材料及其制备与应用和装置

权利要求书

1.一种杂原子掺杂表面带孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)表面带孔氧化石墨烯的合成

将水加入氧化石墨烯中，超声分散，得到氧化石墨烯溶液；然后在搅拌条件下，向装有氧化石墨烯溶液的容器中加入浓HNO₃，容器密封，超声反应，静置后，倒入去离子水中，离心去酸，纯化，过滤，干燥，得到表面带孔氧化石墨烯，备用；

(2)杂原子掺杂表面带孔石墨烯的等离子体法制备

将10mg～100mg表面带孔氧化石墨烯置于等离子体高温管式反应器中，采用机械泵抽真空降压至0.1～5Pa，再采用分子泵继续抽真空至10^-4～10^-3Pa，通入保护性气体及杂原子掺杂源化合物至压强为0.1～20Pa，将等离子体高温管式反应器升温到300～600℃，打开射频电源，在射频功率为200～600W的条件下，等离子体放电10～60min，然后关闭射频和加热电源，停止通入杂原子掺杂源化合物，冷却至室温后，得到一种杂原子掺杂的表面带孔石墨烯材料；

步骤(1)中所述超声反应的频率为20～100KHz、超声反应的功率为40～1000W；超声反应的温度为4℃～60℃，超声反应时间为0.5～10h；步骤(1)中所述静置时间为1～3h；

步骤(2)中所述杂原子掺杂源化合物为气态杂原子化合物，所述杂原子为氮、硫、磷或硼中的一种以上。

2.根据权利要求1所述杂原子掺杂表面带孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于：

步骤(1)中所述浓硝酸的质量浓度为60～65％；所述氧化石墨烯溶液的质量百分比浓度为0.1～1.0％；步骤(1)中所述的浓HNO₃与氧化石墨烯溶液的体积比为(1～20)：1；步骤(1)中所述去离子水与氧化石墨烯溶液的体积比为(100～200)mL：(50～500)mL；

步骤(2)中所述保护气体为氩气、氦气或氮气中的一种以上；所述保护气体与杂原子掺杂源化合物的体积比为(0.1～10)：1。

3.根据权利要求1所述杂原子掺杂表面带孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于：所述杂原子掺杂源化合物为乙硼烷、氨气、硫化氢或三氯化磷中的一种以上。

4.根据权利要求1所述杂原子掺杂表面带孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于：

步骤(1)中所述超声分散的频率为20～100KHz，超声分散的功率为40～1000W，超声分散的时间为30～120min；步骤(1)中所述干燥的温度为40～60℃，干燥的时间为12～24h；

步骤(2)中所述升温速率为5～10℃/min。

5.根据权利要求1所述杂原子掺杂表面带孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于：

步骤(1)中所述氧化石墨烯采用改进的Hummers方法制备得到，具体制备方法为：在冰水浴条件下，将质量百分数为95～98％的浓硫酸加入硝酸钠和石墨混合物中，搅拌反应10～60min；逐步加入高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃，加入完毕后继续反应6～24h，加入去离子水稀释，搅拌反应30～60min，升温至20～98℃，反应12～48h，逐滴加入质量百分数为30～35％的双氧水，滴加完后继续反应30～60min，过滤，用质量百分数为5～10％HCl溶液和去离子水进行洗涤，直到滤液中无硫酸根被检测到为止；最后将滤饼于40～60℃干燥12～24h，得到氧化石墨烯。

6.根据权利要求5所述杂原子掺杂表面带孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于：所述逐步加入高锰酸钾是指高锰酸钾每次加入量为高锰酸钾总重量的1/60，每次间隔1～2min；所述搅拌的转速为200～1000r/min；所述滴加的速度为5～10滴/min；所述升温速率为10～20℃/min；

所述石墨：硝酸钠：浓硫酸：高锰酸钾：用于稀释的去离子水：双氧水的用量比为(1～5)g：(1～5)g：(90～300)mL：(5～25)g：(50～300)mL：(50～100)mL。