[发明专利]一种硼掺杂的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种硼掺杂的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用，制备时以氧化石墨烯为碳源，以硼酸为硼源，配制不同浓度的石墨烯分散液；利用简单的一步水热合成法制备了稳定高性能的硼掺杂石墨烯气凝胶。本发明通过水热反应获得的产物具有特殊的三维多孔结构，硼掺杂石墨烯气凝胶表面相互连通的介孔抑制了石墨烯片层的团聚现象，进而大幅提升了宏观石墨烯材料的比表面积。同时，这种层次分明的三维多孔结构能够提升离子传输效率，从而提高硼掺杂石墨烯气凝胶作为超级电容器电极的性能。

【技术领域】

本发明属于超级电容器和半导体光电器件领域，涉及一种硼掺杂的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。

【背景技术】

石墨烯是一种厚度只有0.334nm的新型二维材料，具有高导热性、高导电性、大比表面积和易改性表面化学等特性，与传统的多孔碳材料相比，石墨烯具有包括高的电导率(104～106S/m)、大的比表面积(～2675m²/g)、高杨氏模量(～1TPa)和高断裂强度(～130GPa)等特性，石墨烯是一种带隙为零的半金属/半导体材料，这直接导致石墨烯较低的开关比和较大的漏电流，本征石墨烯官能团很少且和有机溶剂的相容性很差，极易团聚。因此需要对石墨烯进行掺杂调整其能带结构，从而打开石墨烯的带隙。

气凝胶是一种具有三维孔状结构的海绵状材料，因其孔隙率高、比表面积大和密度低的特点通常被作为一种理想的电极材料。此外，碳质气凝胶具有极好的导热性和导电性。三维孔状石墨烯气凝胶由二维石墨烯薄片通过化学交联形成，不仅拥有石墨烯的优异导电性、导热性和机械强度，而且孔隙率极高。石墨烯气凝胶的制备方法包括共价或非共价交联法、物理或化学活化法、原位还原法和定向模板法。

目前，已出版的文献报道有N,S等元素的掺杂的制备：如文献Materials Scienceand Engineering:B 242(2019)1，主要研究制备了具有丰富微孔的氮掺杂石墨烯气凝胶，表现出提高氧化还原反应的性能；文献Journal of Materials Science 55(2020)9676，主要研究用碳纤维增强的新型硫掺杂石墨烯气凝胶复合材料的开发，改善最终复合材料的机械稳定性。但是如何能够充分利用石墨烯气凝胶的电化学性能确缺乏相对应的研究。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种硼掺杂的石墨烯气凝胶及其制备方法和应用，以解决现有技术中缺乏充分利用石墨烯气凝胶电化学性能的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种硼掺杂石墨烯气凝胶制备方法，包括以下步骤：

步骤1，混合天然石墨粉和浓硫酸，搅拌后加入硝酸钠，形成混合溶液A，混合溶液A冷却至0℃后加入高锰酸钾，水浴加热后形成浆状物B；

步骤2，在浆状物B中加入去离子水和H₂O₂，待浆状物B由棕色变为淡黄色的混合溶液C后，将混合溶液C通过稀盐酸洗涤，将洗涤后的混合溶液C离心，将离心后的溶液在水中超声分散，得到GO分散液；

步骤3，将GO分散液和硼酸混合后进行水热反应，将水热反应产物晾干后真空干燥，得到硼掺杂石墨烯气凝胶。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤1中，天然石墨粉和浓硫酸的混合比例为1～800mg：20mL，加入的硝酸钠为0.5g。

优选的，步骤1中，1g的天然石墨粉加入3g的高锰酸钾。

优选的，步骤1中，水浴加热温度为35～40℃，水浴加热时间为30min。

优选的，步骤2中，所述超声分散时间为3h，GO分散液的浓度为1～8mg/mL。

优选的，步骤3中，硼酸的加入量为GO分散液质量的15％。