[发明专利]一种氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，是以氧化石墨烯的水分散液为前驱体，柠檬酸铵为掺氮剂和还原剂，采用简单的一步水热法原位自组装形成氮掺杂石墨烯水凝胶，经透析、冷冻干燥后，制备得到超轻、高弹的氮掺杂石墨烯气凝胶。本发明制备的氮掺杂石墨烯气凝胶密度小，具有丰富的相互交联的三维多孔结构，孔隙率高，具有优异的压力回弹性能。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种石墨烯气凝胶，特别是涉及一种氮掺杂的石墨烯气凝胶的制备方法。

背景技术

碳气凝胶是一种轻质、具有连续三维网络结构的块状多孔纳米碳材料。其网络结构一般由相互交联的纳米颗粒或纳米片层所组成，颗粒或片层内部的孔隙主要是微孔，颗粒与颗粒之间、片层与片层之间则大多是2nm以上的中孔或大孔，总体表现出微孔、中孔和大孔复合的梯级孔结构特征。

传统的碳气凝胶通常由颗粒相互交联构筑而成。而石墨烯气凝胶则是由二维晶体石墨烯卷曲、折叠并交联形成，因此，石墨烯气凝胶表现出更加丰富的孔隙结构特征。由于石墨烯良好的凝胶化性能，相比于传统碳气凝胶的制备，石墨烯气凝胶的制备效率更高、制备过程更加简洁。此外，石墨烯气凝胶具有很好的热稳定性和化学稳定性，可以增强材料的抗腐蚀性，提高材料寿命。这些特性也使得石墨烯气凝胶更具有实用价值。

然而，在制备石墨烯气凝胶的过程中，由于溶液中的石墨烯纳米片层之间具有较强的相互作用(π-π键作用和范德华力)，因此易于发生层间堆叠和不可逆团聚，导致所制备石墨烯气凝胶的孔结构性能不理想。同时，制备的石墨烯气凝胶脆性较大，机械性能不佳，也限制了其的应用领域。

利用杂原子(如氮、硼等)进行掺杂，可以有效提高石墨烯结构的稳定性。

Sun等(Nitrogen-doped holey graphene foams for high-performancelithium storage[J]. Rsc Advances, 2015, 5(111): 91114-91119.)利用H₂O₂超声分散氧化石墨烯，通过氧化作用蚀刻得到多孔氧化石墨烯，随后通过水热自组装、冷冻干燥得到三维石墨烯，最后在NH₃/N₂、1000℃煅烧制得三维氮掺杂石墨烯，氮含量3.4at%。

Liu等(Superelastic and multifunctional graphene based aerogels byinterfacial reinforcement with graphitized carbon at high temperatures[J].Carbon, 2018, 132: 95-103.)报道了一种制备集成石墨烯气凝胶的有效方法，将还原后的氧化石墨烯与聚酰亚胺大分子连接起来，在2800℃进行石墨化处理，将还原后的石墨烯氧化层热还原为石墨烯，去除其残余氧基，修复缺陷，将聚酰亚胺组分石墨化成涡轮碳，使石墨烯片层桥接，形成具有良好力学性能和功能性能的石墨烯气凝胶。该方法涉及超高温处理，技术难度大且不易操作，限制了其推广使用。

CN 108525649A公开了一种高强度氧化石墨烯气凝胶的制备方法及其应用，是以氧化石墨烯为前驱体，聚乙烯亚胺(PEI)作为交联剂和氮源，海藻酸钠(SA)作为增强材料制备高强度氧化石墨烯气凝胶。但该方法的氮掺杂率较低，且工艺繁杂，限制了生产效率。

发明内容

本发明的目的是解决石墨烯气凝胶孔结构性能不理想、机械性能低下的问题，提供一种超轻、高弹的氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法。

本发明所述氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法是以氧化石墨烯(GO)的水分散液为前驱体，柠檬酸铵为掺氮剂和还原剂，采用简单的一步水热法原位自组装形成氮掺杂石墨烯水凝胶，经透析、冷冻干燥后，制备得到超轻、高弹的氮掺杂石墨烯气凝胶(NGA)。