[发明专利]一种氮磷共掺杂石墨烯及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及一种氮磷共掺杂石墨烯及其制备方法与应用，尤其涉及作为超级电容器或锂离子电池电极材料的应用。

背景技术

随着近几十年以来的环境恶化和资源匮乏，大力开发清洁可再生资源是人类社会发展的重要任务之一。但这些清洁可再生资源在发电方式和电能输出上具有波动性和间歇性，因此，研究和开发能源储存技术是科研工作的热点。其中，超级电容器和锂离子电池是目前研究最多的能源储存技术。

石墨烯是由碳原子以sp²杂化轨道组成六边形网络结构的二维纳米材料，具有独特的二维结构和优异的物理化学特性，包括高比表面积、高导电性、高热学和力学性能等，被广泛研究用于储能、催化、场发射和传感器等领域。进一步对石墨烯材料进行改性，可有效调节其结构和性能，实现更为丰富的功能和应用。例如，通过杂原子掺杂石墨烯，可增加石墨烯缺陷和局域反应活性，有效改变石墨烯材料的电子结构和化学性质，可显著提高石墨烯材料的超级电容器和锂离子电池性能。目前，掺杂元素主要包括N、P、S、O、B等。两种不同杂原子的共掺杂可起到协同作用，进一步提高其电化学性能。N、P两种元素是最为常见的共掺杂元素，但目前已发表的相关文献中，大多分别使用N和P两种前驱体，制备过程较复杂，限制了其实际应用的推广。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氮磷共掺杂石墨烯及其制备方法与应用，该制备方法采用同时含有磷元素和氮元素的化合物作为掺杂前驱体对氧化石墨烯进行氮、磷共掺杂。

为了达到前述的发明目的，本发明提供的一种氮磷共掺杂石墨烯的制备方法，其包括以下步骤：

将氧化石墨烯与含氮磷的化合物前驱体混合，然后置于保护气中，进行热处理，冷却至室温后，制得氮磷共掺杂石墨烯。

在上述制备方法中，优选地，所述含氮磷的化合物前驱体包括三聚氰胺磷酸盐和/或三聚氰胺聚磷酸盐。

在上述制备方法中，在热处理的过程中一步实现了氧化石墨烯还原与氮、磷元素共掺杂，简化了制备工艺，减少了反应能耗，降低了制备成本；同时，上述制备方法采用同时含有磷元素和氮元素的化合物作为共掺杂原料，尤其采用三聚氰胺磷酸盐或三聚氰胺聚磷酸盐工业化商品作为氮磷共掺杂前驱体，成本低廉，无污染，原料资源丰富，适用工业化生产。且采用同时含有磷元素和氮元素的化合物作为共掺杂原料，在其分解时，可以同时产生进行掺杂的N源、P源，进而实现N、P元素同步掺杂，提高N、P原子比。

在上述制备方法中，优选地，所述氧化石墨烯与含氮磷的化合物前驱体的质量比为(0.02-2)：1。

在上述制备方法中，优选地，所述氧化石墨烯与含氮磷的化合物前驱体的质量比为(0.1-1)：1。

在上述制备方法中，优选地，所述热处理的温度为500℃-1000℃，时间为1h-5h。

在上述制备方法中，优选地，所述混合的步骤为：将氧化石墨烯溶液与含氮磷的化合物前驱体混合搅拌1h-12h，然后干燥，得到固体混合物；

或者，将氧化石墨烯溶液与含氮磷的化合物前驱体超声混合10min-2h，然后干燥，得到固体混合物；

或者，将氧化石墨烯溶液与含氮磷的化合物前驱体在130℃-180℃温度下水热处理6h-18h，然后干燥，得到固体混合物。水热处理能使氧化石墨烯上的含氧官能团与含氮磷的化合物前驱体成键，从而使氧化石墨烯更较稳定地负载更多含氮磷的化合物前驱体。

在上述制备方法中，优选地，所述氧化石墨烯溶液的质量浓度为(0.1-5)mg/ml；更优选地，所述氧化石墨烯溶液的质量浓度为0.5mg/ml-3mg/ml。

在上述制备方法中，所述保护气包括氮气和/或惰性气体，所述惰性气体包括Ar。

在上述制备方法中，所述保护气的流速为20ml/min-200ml/min。

本发明还提供一种氮磷共掺杂石墨烯，其由上述氮磷共掺杂石墨烯的制备方法制得。优选地，所述氮磷共掺杂石墨烯的比表面积为150m²/g-300m²/g，以原子百分比计，所述氮磷共掺杂石墨烯中，氮原子掺杂量为2％-8％，磷原子掺杂量为1％-3％。

本发明还提供上述氮磷共掺杂石墨烯作为电极材料在超级电容器、锂离子电池中作为电极材料的应用。该超级电容器的其他组件可以采用本领域的常规组件。与未掺杂的还原氧化石墨烯材料相比，比电容提高了2倍以上。该锂离子电池的其他组件可以采用本领域的常规组件。与未掺杂的还原氧化石墨烯材料相比，电容量提高了1倍以上。