[发明专利]一种硫、氧共掺杂生物质碳/石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种硫、氧共掺杂生物质碳/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。该复合材料由生物质碳/石墨烯基体和掺杂在生物质碳/石墨烯基体中的硫、氧组成，为起伏多褶皱的片层构成的菜花结构，片层厚度为20～30nm。其制备为：将生物质材料分散在预冷的氢氧化钠/尿素/水溶液中，搅拌、离心脱泡得透明溶液，然后分散在氧化石墨烯溶液中，加入十二烷基苯磺酸，搅拌，酸洗析出；将析出物洗涤后冷冻干燥，惰性气氛中煅烧热解，即得硫、氧共掺杂生物质碳/石墨烯复合材料。本发明利用阴离子表面活性剂引入硫元素，协同“液‑液”混合方式，所得复合碳材料中各组分分布均匀，比表面积大，导电性好，储能性能优异，可广泛用于电化学储能领域。

技术领域

本发明属于生物质碳材料制备领域，更具体地，涉及一种硫、氧共掺杂生物质碳/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

当今人类社会面临能源危机、环境污染等问题，太阳能、风能等清洁能源太过依赖于自然条件，具有不稳定的特点，其实际应用则需要一个安全可靠的能量存储系统。电化学储能在清洁能源的储存和利用上起到了很重要的作用，碳基负极材料具有原料丰富、成本低廉、合成简单和工作电位低等特点，非常适合用于构建性能优异的电池。将生物质材料炭化后作为功能材料或产品使用，比起传统的制碳方法，成本更为低廉，方法绿色且简便。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，将其他材料与碳复合这一方法被广泛应用。石墨烯是由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的一种新型碳材料，具有较大的比表面积和优异的电子导电性，被认为可在钠离子电池领域中广泛应用。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。

元素掺杂也是一种有效提高碳基负极材料电化学性能的方法，研究表明硫元素有较大共价半径，加入硫可以显著增大碳层间的距离，此外，硫不仅可以提供更多的钠离子存储场所，而且可以加速钠离子的扩散动力学，但目前还存在着硫元素掺杂量不多且不可控，分布不均匀，所得到的复合物电化学性能提升不明显的问题。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

本发明的目的在于提供一种硫、氧共掺杂生物质碳/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。该复合材料比表面积大，各组分分布均匀，储能性能优异，制备简单，原料低廉易得，所得复合材料可广泛用于电化学储能领域。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种硫、氧共掺杂生物质碳/石墨烯复合材料，它由生物质碳/石墨烯基体和掺杂在所述生物质碳/石墨烯基体中的硫、氧组成，呈菜花结构，所述菜花结构由起伏多褶皱的片层构成，所述片层厚度为20～30nm。

按上述方案，所述复合材料中按原子百分比计，硫元素的含量为3.0～10.0％，氧元素的含量为4.0～10.0％。

提供一种硫、氧共掺杂生物质碳/石墨烯复合材料的制备方法，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)将步骤1)所得透明溶液分散在氧化石墨烯溶液中，加入十二烷基苯磺酸，常温下搅拌，然后进行酸洗析出；

3)将步骤2)所得析出物洗涤后冷冻干燥，得固体块状物；

4)将步骤3)所得固体块状物在惰性气氛中，进行煅烧热解，即得硫、氧共掺杂生物质碳/石墨烯复合材料。

上述方案中，步骤1)中所述生物质为棉花。