[发明专利]一种超低氧含量三维氮掺杂石墨烯气凝胶及其制备方法

权利要求书

1.一种超低氧含量三维氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，所述石墨烯气凝胶的制备方法包括如下步骤：

步骤1）：将氧化石墨烯作为前驱体配置成水性分散液，依次加入氮源、还原剂和胺基小分子有机物，一步水热还原法制备圆柱状的低氧含量三维氮掺杂石墨烯水凝胶，经冷冻干燥后，得圆柱状的低氧含量三维氮掺杂石墨烯气凝胶中间体；

所述氮源为尿素、氨水、三聚氰胺或乙二胺；

还原剂为抗坏血酸、乙二醇、葡萄糖或没食子酸；

胺基小分子有机物为甲基胺、乙基胺或二乙醇胺；

步骤2）：在氨气、载气和/或保护气气氛下高温烧结，以使掺氮类型转化，自然冷却至室温，获得超低氧含量三维氮掺杂石墨烯气凝胶；

所述高温烧结是指，先升温至300℃，保温1h，再继续升温至700~900℃，保温3~6h；所述升温速率为5℃/min；

氧化石墨烯前驱体为电解法制备所得的低羧基高羟基化氧化石墨烯，羧基含氧官能团占比低于10%，羟基含氧官能团占比在70%以上；

制备方法步骤如下：

步骤1-1）：以石墨阳极板为阳极，钛网为阴极，硫酸铵溶液为电解液，构成电化学电解体系；

步骤1-2）：采用分步式电解方式，先预电解以电化学氧化腐蚀所述石墨阳极板边缘，预电解结束后直接进行阳极氧化插层剥离电解，以制备少层氧化石墨烯；

步骤1-3）：电解结束后，经过滤除去电解过程中掉落的未经剥离的石墨粉，得到氧化石墨烯悬浮液；

步骤1-4）：经透析和高速离心分离去除少量悬浮物和中层以上氧化石墨烯，获得少层氧化石墨烯前驱体水溶液；

所述步骤1-1）中，所述石墨阳极板包括天然高纯石墨、鳞片状石墨、致密结晶状石墨、人造石墨或石墨纸；

所述步骤1-1）中，所述电解液中的硫酸铵浓度为0.1~0.5mol/L；

所述步骤1-1）中，所述电解液还包括辅助插层剂或表面活性剂；所述辅助插层剂或表面活性剂的含量为0.1~0.6g/L；所述的辅助插层剂或表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚二烯基丙二甲基氯化铵中的一种或多种；

所述步骤1-1）中，所述电解液加入量为电解池容积的50%-60%；所述混合电解液的流速为0.1~0.5L/h；

所述步骤1-2）中，所述预电解包括先调节电压至1.0V，保持0.5h，再调节电压至2.0V，保持1h；所述剥离电解过程中，调节电压至12.5V，保持6~24h；所述电解过程中实时调节石墨阳极板在电解液中的没入深度以保持相对稳定；

所述步骤1-4）中，所述氧化石墨烯前驱体水溶液的浓度为1-5mg/mL。

2.根据权利要求1所述的一种超低氧含量三维氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，所述石墨烯气凝胶中的氮元素以含氮官能团的形式存在，所述含氮官能团种类包括吡啶型氮、吡咯型氮和石墨型氮。

3.根据权利要求1所述的一种超低氧含量三维氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，所述石墨烯气凝胶中的含氮官能团中，吡啶型氮含量占比为30%~80%。

4.根据权利要求1所述的一种超低氧含量三维氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，所述石墨烯气凝胶中的氮元素含量为4.0%~12.0%，其孔径为50~150μm，密度为2.5~8.5mg/cm³。