杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯材料及其制法与应用

摘要

本发明属于碳材料与电化学领域，公开了一种杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯材料及其制法与应用。所述方法为首先将浓硝酸与氧化石墨烯的水溶液超声反应，静置，得到表面带孔氧化石墨烯；再将十六烷基三甲基溴化铵加入去离子水、乙二醇、氨水的混合液中，溶解，升温，搅拌，依次加入四乙氧基硅烷和3‑氨丙基三乙氧基硅烷，搅拌反应，静置，水热反应，得到带正电荷二氧化硅球；将表面带孔氧化石墨烯水分散液与已调节pH的二氧化硅球水分散液，搅拌反应，冷冻干燥，得到复合材料；最后将复合材料置于等离子体高温管式反应器中进行反应，得到杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯材料。所制备材料具有独特空心结构，能够提高电极材料的电导性和热稳性。

主权项

一种杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯材料的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)表面带孔氧化石墨烯的合成将水加入氧化石墨烯中，超声分散，得到氧化石墨烯溶液；然后在搅拌条件下，向装有氧化石墨烯溶液的容器中加入浓HNO₃，容器密封，于4℃～60℃超声反应0.5～10h，静置1～3h后,倒入去离子水中，离心去酸，纯化，过滤，干燥，得到表面带孔氧化石墨烯，备用；(2)带正电荷二氧化硅球模板的制备将十六烷基三甲基溴化铵加入到装有去离子水、乙二醇和氨水的反应容器中，搅拌溶解，升温至40～70℃，保温搅拌20～60min，然后逐滴加入四乙氧基硅烷，接着快速加入3‑氨丙基三乙氧基硅烷，于40～70℃搅拌反应2～4h，保温静置12～24h，随后置于水热反应釜中进行水热反应；将水热反应的产物清洗至滤液无泡沫，干燥，得到带正电荷的二氧化硅球；(3)具有核壳结构的表面带孔氧化石墨烯@二氧化硅球复合物的制备将步骤(2)中带正电荷的二氧化硅球分散于去离子水中，得到二氧化硅球分散液；然后滴加酸溶液调节pH为2～2.5，加入表面带孔氧化石墨烯分散液，搅拌反应24～48h，冷冻干燥，得到具有核壳结构的表面带孔氧化石墨烯@二氧化硅球复合材料；其中所述表面带孔的氧化石墨烯分散液是将步骤(1)中表面带孔的氧化石墨烯分散于水中制备得到；(4)杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯的等离子体法制备将100mg～1000mg表面带孔氧化石墨烯@二氧化硅球复合材料置于等离子体高温管式反应器中，抽真空降压至1～10Pa，进一步抽真空至10^‑2～10^‑3Pa，通入保护气体及气态杂原子掺杂源至压强为0.1～20Pa，将等离子体高温管式反应器升温至300～600℃，然后打开射频电源，在射频功率为100～600W的条件下，等离子体放电10～60min，然后关闭射频和加热电源，停止通入杂原子掺杂源，冷却，用HF溶液清洗，再用丙酮‑水混合物洗涤，最后用去离子水洗涤至滤液的导电率低于10μS，过滤物固体材料即为杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯材料；所述杂原子掺杂源为气态杂原子化合物，所述杂原子为硼、氮、硫或磷中的一种以上。