[发明专利]一种氮掺杂三维多孔石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，尤其涉及一种氮掺杂三维多孔石墨烯及其制备方法。

背景技术

近年来，被誉为“新材料之王”的石墨烯，作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的新型纳米材料，在催化、生物传感、电池、电容器及航空航天诸多领域具有广阔的应用前景。石墨烯是由单层碳原子构成，碳原子之间由sp2杂化轨道成键。由于石墨烯独特的结构和出色的固有物理特性，诸如导电性高和表面积大，石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。

石墨烯由于范德华力相互作用，在应用时容易发生严重团聚和再堆叠，导致比表面积、扩散速率和电导率的大幅下降，影响应用性能。采用摻杂其他元素，将石墨烯相关材料解离至纳米尺寸的石墨烯片层，改变石墨烯的形貌(尺寸，形状和厚度)能有效地改变石墨烯的性质，有利于改善其应用性能缺陷。目前摻杂其他元素的石墨烯包括磷掺杂、硼掺杂和氮掺杂等。磷掺杂率较低，导致电催化活性降低，掺杂后材料的比表面积较小。而硼掺杂后，材料的电负性比氮掺杂的要小。氮掺杂的石墨烯中，氮原子能诱导更多的正电荷到相邻的碳原子上，有效地提高阴离子交换性能和电催化活性，并且具有更优异的稳定性，但目前氮掺杂石墨烯在活性位点数量、有效接触面积等电化学性能上仍需要改进，以提高其应用性能的需要。另外，现有公开的在石墨烯中进行氮掺杂的制备方法还存在诸多不足，需进一步优化。

目前制备氮掺杂石墨烯的方法有直接合成方法和后处理方法。直接合成方法包括气相沉积法、氮等离子体放电法、电弧放电法、偏析生长法等。后处理方法包括热处理、溶剂热法、等离子体处理法等。现有的方法存在以下不足：(1)合成工艺复杂，制备条件苛刻，对设备要求较高；(2)氮掺杂量不高且不稳定，生产成本高；(3)反应条件苛刻，原料存在危险安全隐患；(4)需要特殊设备、过程繁琐、转化率和收率低，难以实现工业化生产等。近期虽然出现了微波固相法、微波辐气相法等氮掺杂石墨烯新制备方法，但上述不足仍然未很好解决。因此，寻找一种具有更多的活性位点，更大的有效接触面积，更优异的电化学性能的氮掺杂石墨烯以及具有工艺简单、操作方便、价格低廉、容易实现工业化大规模生产等优点的氮掺杂石墨烯制备方法成为了该领域的研究热点。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种氮掺杂三维多孔石墨烯及其制备方法，以改善现有技术中的不足。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供更优异性能的氮掺杂石墨烯，优化制备方法，满足工业化生产的需要。

为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种氮掺杂三维多孔石墨烯，其中，所述氮掺杂三维多孔石墨烯中总氮的重量百分含量为6％～10％。

进一步地，所述氮掺杂三维多孔石墨烯的导电率为232～427S·m^-1；

进一步地，所述氮掺杂三维多孔石墨烯中氮的掺杂形式为吡啶氮(pyridinicN)、吡咯氮(pyrrolicN)和石墨氮(graphiticN)；

进一步地，所述吡啶氮(pyridinicN)在氮掺杂三维多孔石墨烯中总氮中百分含量为15％～26％；

进一步地，所述吡咯氮(pyrrolicN)在氮掺杂三维多孔石墨烯中总氮中百分含量为39％～52％；

进一步地，所述石墨氮(graphiticN)在氮掺杂三维多孔石墨烯中总氮中百分含量为26％～41％；

进一步地，所述氮掺杂三维多孔石墨烯，在三维空间相互交错，无序分布，形成多孔网络结构。

在本发明的较佳实施方式中，所述氮掺杂三维多孔石墨烯中总氮的重量百分含量为6.1％；

在本发明的另一较佳实施方式中，所述氮掺杂三维多孔石墨烯中总氮的重量百分含量为7.7％；

在本发明的另一较佳实施方式中，所述氮掺杂三维多孔石墨烯中总氮的重量百分含量为9.2％；

在本发明的另一较佳实施方式中，所述氮掺杂三维多孔石墨烯总氮中，吡啶氮(pyridinicN)百分含量为26％、吡咯氮(pyrrolicN)百分含量为40％、石墨氮(graphiticN)百分含量为35％；

在本发明的另一较佳实施方式中，所述氮掺杂三维多孔石墨烯总氮中，吡啶氮(pyridinicN)百分含量为22％、吡咯氮(pyrrolicN)百分含量为51％、石墨氮(graphiticN)百分含量为26％；