[发明专利]一种石墨烯复合氮、氧共掺杂生物质碳材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯复合氮、氧共掺杂生物质碳材料的制备方法，首先将生物质材料在预冷的碱液中溶解，再加入到氧化石墨烯溶液中，经“液‑液”充分混合后冷冻干燥，再经高温处理，使生物质材料裂解生成氮、氧共掺杂的碳，同时氧化石墨烯被还原生成石墨烯，得到石墨烯复合氮、氧共掺杂生物质碳材料。本发明采用的“液‑液”混合方式可促进生物质与氧化石墨烯均匀分散和充分接触，在高温处理时能有效抑制生物质碳化时的团聚现象和石墨烯片层的层叠现象，使所得复合材料中石墨烯与碳分布更均匀，同时实现原位氮、氧共掺杂，且涉及的制备方法简单，成本低廉，绿色环保，适合推广应用。

技术领域

本发明属于生物质碳材料制备领域，具体涉及一种石墨烯复合氮、氧共掺杂生物质碳材料及其制备方法。

背景技术

在各种用于解决能源与环境问题的材料中，碳材料以其独特的优点备受研究人员的青睐。特别是在电化学储能领域，碳材料因具有高比表面积、高稳定性、较好的热稳定性和低廉的价格等特点，被广泛应用于电极材料体系。相比于传统的制备碳材料方法，直接用生物质为前驱体合成碳材料由于成本廉价、合成方法绿色简便，更易于大规模工业化生产。同时，由生物质合成碳材料时，会原位引入氮、氧等杂原子，改变碳层的电子结构，在界面以及表面形成新的储能活性位点。因此，生物质碳材料以其优越的性能在锂离子电池、钠离子电池、超级电容器等领域有着广阔的应用前景。然而，在高温裂解制备生物质碳材料的过程中碳易发生团聚，减少碳的活性位点，极大地限制碳在储能方面的应用。

为解决这一问题，扩大碳材料的应用，碳与其他材料的复合物被广泛研究。石墨烯是碳的二维同素异形体，其集高的电导率、高的热导率、高机械强度及高的电化学稳定性等众多优良特性于一身，受到人们广泛关注。石墨烯/碳的复合物可使石墨烯与碳在结构与性质上互补，充分发挥二者各自的优势，既有碳材料丰富的储能位点，又可利用石墨烯优异的导电性提高复合材料的电导率，通过二者之间的协同效应，使其表现出比单一材料更加优异的储能性能。然而，传统石墨烯/生物质碳复合物的制备方法一般是先将生物质材料进行碳化，得到固体碳粉，再把固体碳粉与石墨烯粉或氧化石墨烯溶液混合制备得到石墨烯/生物质碳复合物。这类方法工艺过程较复杂，而且碳粉与石墨烯或氧化石墨烯难以均匀混合，所得到的复合物电化学性能提升不明显。因此，进一步探索简单易行的制备石墨烯复合异质元素掺杂生物质碳材料的方法对于简化生物质碳材料制备工艺，提升生物质碳储能性能，加快生物质碳的推广和应用都具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术存在的技术缺陷和改进需求，本发明的主要目的是提供一种简单易行的石墨烯复合氮、氧共掺杂生物质碳材料的制备方法及产品，首先将生物质原料制成纤维素溶液，再将其分散在氧化石墨烯溶液中混合均匀，冻干后进行高温处理制得复合碳材料，，该制备工艺涉及的生物质原料来源广泛，价格低廉，且复合条件简单、所得复合材料中，石墨烯与生物质基碳材料之间分布均匀，具有重要的经济和环境效益。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种石墨烯复合氮、氧共掺杂生物质碳材料的制备方法，采用溶液共混法制得分散均匀的石墨烯与生物质基碳材料的复合材料，具体包括如下步骤：

1)将生物质材料分散在预冷的氢氧化钠/尿素/水溶液中，依次进行搅拌、离心脱泡，得透明溶液；

2)将透明溶液分散在氧化石墨烯溶液中，然后加入有机胺，常温下进行磁力搅拌，然后进行离心分离，得到沉淀物；

3)将步骤2)所得沉淀物进行水洗、冷冻干燥，得固体块状物；

4)将步骤3)所得固体块状物在惰性气氛中，进行煅烧然后自然冷却，即得石墨烯复合氮、氧共掺杂生物质碳材料。

上述方案中，所述生物质优选为棉花、蚕丝或甲壳素。

上述方案中，步骤1)中所述预冷温度为-10～-15℃。