[发明专利]一种氟、氮共掺杂三维石墨烯材料及其一步碳化制备方法

说明书

本发明公开了一种氟、氮共掺杂三维石墨烯材料，以聚四氟乙烯和三聚氰胺作为前驱体，经混合、研磨均匀，然后一步碳化法制备获得氟、氮共掺杂三维石墨烯材料，所得三维石墨烯氟、氮元素分布均匀；其比表面积为1200—1400 m² g^‑1，总孔体积为2.5—2.9 cm³ g^‑1；可以通过改变碳化温度大幅调控材料的比表面积在50—1600 m² g^‑1之间，调控总孔体积在0.2—3.2 cm³ g^‑1之间。其一步碳化制备方法包括以下步骤：1，原料的混合；2，一步碳化法。材料中三维石墨烯网格均匀，氟、氮元素分布均匀，重复性好，碳化温度适中，一步碳化合成，工艺简单易操作。本发明材料在超级电容器领域和碳功能材料方向具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及改性碳材料领域，具体涉及一种氟、氮共掺杂三维石墨烯材料及其一步碳化制备方法。

背景技术

能源是人类社会发展的主要动力。纵观人类发展的历史，每一次能源技术的革新，都引起社会生产力和生产关系的重大变革，从而推动了历史向前发展。然而由于工业化的高度发展，人类对煤、石油、天然气等化石燃料等无节制的开采，导致了一系列资源短缺和环境污染等问题，可再生能源的开发与使用日益受到重视。纳米碳材料作为一种绿色环保的功能材料，在新型的能源储存和转换中应用广泛。

自石墨烯的出现后，石墨烯立刻成为来碳材料中的明星材料。但是，理想的单层石墨烯制备困难，人们在对石墨烯的研究中发现，对石墨烯进行改性，可以获得大量性能优异的功能材料。其中三维石墨烯材料具有大量的孔隙结构和巨大的比表面积，同时具有活性碳和石墨烯的特性。其比表面积大、导电性好、吸附能力强、物理化学性能稳定、失效后再生方便等特点，而被广泛应用于催化、储能、气体吸附与分离、水体净化等前沿科技领域。近年来，三维石墨烯已经成了研究的热点。

在石墨烯材料中引入杂原子，如B、N、O、F、P或S等等，可以显著地改善其机械、导电或电化学性能。特别是杂原子可部分取代碳原子，使碳层中石墨微晶平面层产生诸多位错、弯曲、离位等具有不成对电子的缺陷位。氟、氮等原子富含电子且具有大电负性，它们引入碳材料能向材料表面提供大量电子，并改变表面电荷分布，甚至提供了很多悬空键，并能在表面形成大量的含杂原子官能团，而赋予该类材料独特的物理、化学性质，使其广泛应用于催化、储能、吸附、储氢等领域。

现有技术中，主要用氧化石墨烯、氟化物和含氮化合物为原理制备氟、氮共掺杂石墨烯，其主要缺陷是制备氧化石墨烯过程中使用大量硫酸和强氧化剂，会有较大的环境污染，而且现有技术所用的氟源大多数具有有很强的腐蚀性和毒性，不环保。

现有技术中国专利CN103553017A以二氟化氙为氟源，制备出氟、氮共掺杂石墨烯。该技术存在的技术问题是：二氟化氙有恶臭、有毒、有强氧化性。

现有技术中国专利CN108448164A以氢氟酸为氟源，制备出氟、氮共掺杂石墨烯。该技术存在的技术问题是：氢氟酸则是有毒、有强腐蚀性试剂。

研发环境友好的无毒无害的氟源可以有效提高生产的安全性。

此外，现有技术中国专利 CN108492996A采用无毒无害的聚偏二氟乙烯作为氟源，其具体技术方案为：

步骤1，在氯化锂与氯化钾混合材料的盐模板中，将氨基葡萄糖盐酸盐与聚偏二氟乙烯混合并球磨均匀；

步骤2，然后在氩气氛下碳化；

步骤3，经过酸洗8—12小时

步骤4，水洗8—12小时；

步骤5，最后真空干燥12小时，得到氟、氮共掺杂的类石墨烯片层材料的方法。

该技术存在的技术问题是：