[发明专利]一种通过超临界流体制备掺杂石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯领域技术，特别是提供一种通过超临界流体制备掺 杂石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯的制备方法一直是人们关注的热点问题，目前主要的合成方法 有机械剥离法、外延生长法、化学气相沉底及液相氧化还原法等。前三种 方案虽然可以制得高质量的石墨烯，但是设备投入较大，成本较高；而液 相氧化还原法虽然成本较低，但是步骤繁琐，杂志含量高，且用到大量的 强碱、强氧化、强还原性物质，环境污染严重。超临界流体一种清洁、无 污染、价格低廉且来源丰富的高效分散介质。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，本发明的目的在于提供 本发明的目的在于提供一种通过超临界流体制备掺杂石墨烯的方法，其反 应过程简单，价格低廉，无有毒气体和溶剂的排放；产物具有优异的电化 学性能，可用于锂离子电池、锂空电池和超级电容器电极材料以及燃料电 池氧还原催化剂等新能源电池材料。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：一种通过超临界流体 制备掺杂石墨烯的方法，包括有如下步骤：

1)氧化石墨烯的制备：

将石墨加入强氧化酸和硝酸盐的混合物中，混合均匀后，加入含钾强 氧化剂，将体系升温至35～40℃，并继续搅拌4～12h，随后缓慢加入一定量 的水，使体系升温至60～80℃并保持30～60分钟，再添加水和一定量的双氧 水，充分搅拌反应后，用稀酸溶液和去离子水反复清洗，去除体系中的各 种离子，然后通过真空干燥收集固体，得氧化石墨烯；

2)掺杂石墨烯的制备

将上述所得的氧化石墨烯和活性掺杂元素化合物初混后加入聚四氟乙 烯容器中，密封后放入高压釜中，上盖密封，注入超临界流体，调节温度 100～260℃和压强5～30MPa，使其中的超临界流体达到超临界状态，反应物 在磁力搅拌下反应1～24h后，通过泄气阀放气，取出反应产物，既得元素 掺杂石墨烯。

作为一种优选方案，所述步骤1)各反应物的质量比为强氧化酸：硝酸 盐：含钾强氧化剂：双氧水：石墨＝10～40:1～5:2～8:1～5:1.

作为一种优选方案，所述掺杂元素可为氮、硼、磷和硫中的任一种或 其任意组合。

作为一种优选方案，所述掺杂元素为氮，活性掺杂元素化合物为为氨 气、尿素、吡咯、苯胺、吡啶、噻吩、多巴胺、三聚氰胺、乙二胺、三乙 烯四胺、卟啉、酞菁、邻菲啰啉、咪唑或噻吩中的至少一种。

作为一种优选方案，掺杂元素为硼时，活性掺杂元素化合物为硼酸、 硼烷或有机硼化物。

作为一种优选方案，掺杂元素为磷时，活性掺杂元素化合物为各种有 机磷化物。

作为一种优选方案，掺杂元素为硫时，活性掺杂元素化合物为各种有 机硫化物。

作为一种优选方案，所述超临界流体为二氧化碳、乙醇、乙烷、水、 乙二醇、乙二胺中的一种。

作为一种优选方案，所述氧化石墨烯和活性掺杂元素化合物的质量比： 1～0.1～100。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体为：本发明 方法通过超临界流体法制备掺杂石墨烯，其具有较大的比表面积(300～800 m²g^-1)，具有高导电性，电子迁移率可达1.5×10⁵cm²V^-1s^-1，高催化活性等 性能，其可逆比容量可达1400mAhg^-1，且材料在高倍率10C充放电条件下 的容量保持率仍可达89％以上。应用于在锂离子电池、锂空电池和超级电 容器电极材料以及燃料电池氧还原催化剂。

2、本发明方法使用的超临界流体具有价格低、环境污染小、可循环使 用等优点。

3、本发明工艺简单，操作方便，生产设备少，从而进一步降低成本， 便于推广应用，适于大规模生产。

具体实施方式

实施例1

一种通过超临界流体制备掺杂石墨烯的方法，包括有如下步骤：

1)氧化石墨烯的制备：