[发明专利]一种氮硫磷三种元素掺杂多孔氧化石墨烯材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种氮硫磷三种元素掺杂多孔氧化石墨烯材料的制备方法及其应用，本发明以氧化石墨烯为原料,通过加入双氧水在水热条件下进行造孔，再加入含氮磷硫三种元素的掺杂剂制备得到三种元素掺杂的多孔氧化石墨烯材料，将其应用于超级电容器的电极材料。本发明利用具有强氧化性的双氧水在石墨烯表面蚀刻出三维多孔结构，进而提高石墨烯材料的比表面积，将得到的多孔氧化石墨烯超声分散后与含氮磷硫三种元素的掺杂剂充分混合，将氮、硫、磷杂原子引入多孔氧化石墨烯改善石墨烯电化学性能，使其负载在导电集流体上制备超级电容器电极，不仅使电容器获得了更好的电容性能，而且使其具有很好的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及碳材料制备技术领域，更具体地，涉及一种氮硫磷三种元素掺杂多孔氧化石墨烯材料的制备方法及其应用。

背景技术

探索先进的储能技术以适应不断发展的科技需求是21世纪的重要课题。在目前的储能装置中，超级电容器因其具有能量密度高，充放电时间短，循环寿命长，免维护，自放电性小，安全性能好，环境友好等诸多优点，展示了巨大的发展前景，吸引了广泛的研究兴趣。然而超级电容器尤其是双电层超级电容器较低的能量密度是阻碍其发展的主要原因。对于改善超级电容器的性能来说，由于电极材料性能的优劣在很大程度上决定超级电容器性能好坏，因此合理设计开发高性能的电极材料意义重大。

目前，商用超级电容器电极材料主要是活性炭，但是其较低的比电容使其无法满足高比电容、高能量密度的需求。因此，设计具有高比电容，高稳定性的超级电容器电极材料是超级电容器应用的关键。石墨烯作为典型的二维碳材料因具有优良的导电性，较高的比表面积（理论比容量高达550 F/g），是较为理想的超级电容器电极材料，但是石墨烯片与片之间强烈的π～π共轭效应使其易发生团聚，大大减少其有效比表面积导致较差的电容性能，使其在超级电容器电极材料的应用方面受到了限制。

对于石墨烯基电极材料的改性来说，目前报道的方法主要有：（1） 设计多孔石墨烯；（2）杂原子掺杂改性石墨烯。具体而言，设计多孔石墨烯可以进一步提高石墨烯的比表面积，通过合理孔径分布的多孔石墨烯有利于离子和电荷的传导进而改善材料的电化学性能。另一方面，采用杂原子掺杂石墨烯，主要是通过合适的方法将杂原子引入到石墨烯片层中得到单掺杂或多掺杂石墨烯，进而改善石墨烯表面的电荷分布加速电荷传递，提高石墨烯电极材料的导电性能。另外，目前对于氮硫磷三掺杂多孔石墨烯在超级电容器方面的应用目前还没有文献报道。

发明内容

针对现有的杂原子掺杂多孔氧化石墨烯材料的制备存在技术空白，本发明提供一种以氧化石墨烯为原料，可快速、高产率获得的氮、硫、磷三种元素掺杂多孔氧化石墨烯材料制备方法，该方法简单、条件可控、成本相对较低，有望实现工业化生产。

本发明的另一个目的是在于提供所述的氮硫磷三种元素掺杂多孔氧化石墨烯材料的应用，将其作为电极材料，可以制备电化学性能优异的超级电容器。

本发明通过以下方案实现：

一种氮硫磷三种元素掺杂多孔氧化石墨烯材料，由以下组分组成：氧化石墨烯、双氧水和含氮、磷、硫三种元素的掺杂剂。

一种氮硫磷三种元素掺杂多孔氧化石墨烯材料的制备方法，主要包括以下步骤：

S1. 称取适量氧化石墨烯超声分散于去离子水中得到氧化石墨烯分散液，加入造孔剂后将其转移到水热反应釜中，搅拌、反应，待反应完后冷却至室温；

S2. 将步骤S1所得产物离心分离，洗涤，冷冻干燥，得到三维多孔氧化石墨烯，将其再次超声分散于水溶液中，接着在强搅拌下加入含氮、磷、硫三种元素的掺杂剂继续搅拌溶解得到混合溶液；

S3. 将步骤S2所得的混合溶液进行水热反应，反应完后冷却到室温；

S4. 将步骤S3所得的反应产物离心分离，洗涤，冷冻干燥即得含氮硫磷三种元素的三掺杂多孔氧化石墨烯。