一种新型三维氮掺杂石墨烯复合材料体系的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种石墨烯基复合材料体系的制备工艺，尤其涉及一种新型三维氮掺杂石墨烯复合材料体系的制备方法，属于材料科学领域。
【背景技术】
[0002]目前，有关石墨烯的掺杂得到了人们的大量研究。掺杂物有硼、氮、气体、金属和有机分子等等，掺杂后的石墨烯化学活性和电性能方面得到了更大的提高。在众多掺杂之中，氮掺杂石墨烯得到了最多的关注，相比于未掺杂的石墨烯，氮掺杂石墨烯拥有更多的活性区域，这样更有利于其表面的嵌锂/脱锂的发生。在锂离子电池领域，还原的氧化石墨烯是用作复合材料最常见的基底，但是弱导电性限制了其作为导电网络的应用，而氮掺杂石墨烯中的氮原子可以通过提供更多的电子云密度来提高导电性。
[0003]目前合成氮掺杂材料的方法一般都是电弧放电或化学气相沉积，这些方法的制备工艺复杂、成本高，污染大，难以大量制备。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种新型三维氮掺杂石墨烯复合材料体系的制备方法，其能实现三维氮掺杂石墨烯复合材料的快速、大量制备，从而提升氮掺杂石墨烯的应用领域。
[0005]为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案:
一种新型三维氮掺杂石墨烯复合体系的制备方法，包括:将氧化石墨烯分散于溶剂中，再加入含氮化合物和选定材料，均匀混合后进行反应，反应温度为O?150 °C，反应时间为O?8 h，而后依次经洗涤、干燥，获得三维氮掺杂石墨烯复合体系。
[0006]进一步的，所述选定材料包括聚合物、高导热材料、金属及其化合物、锂电活性正极与负极材料、超容活性材料中的任一种或两种以上的组合。
[0007]作为可行的具体实施方案之一，该制备方法可以包括如下步骤:
(1)室温下将氧化石墨烯分散于溶剂中，所得混合液超声分散均匀后，加入选定材料和含氮化合物，超声或搅拌均匀，形成混合液；
(2)将上述混合液进行反应，反应温度为室温至150°C，反应时间为0-8 h ；
(3)将所得产物冷却至室温，离心收集产物，洗涤产物，烘干即得氮掺杂石墨烯复合材料。
[0008]其中步骤(I)中所述的氧化石墨烯和含氮化合物的质量比为0.Γ1:100。
[0009]与现有技术相比，本发明的优点包括:
(1)能够高效、可控的制备氮含量在8wt.%?19 Wt.%的三维氮掺杂石墨烯复合材料体系中，并且通过改变加入含氮化合物的种类、用量及反应温度和时间，即能控制其中的氮含量，简单易实施；
(2)本发明的三维氮掺杂石墨烯复合材料体系的产率在98.9%以上，在水处理，生物医药，能量产生转化与储能器件，抗静电，热管理，导热散热，传感器，电磁屏蔽，吸波和催化等方面有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0010]图1a-图1b分别是实施例1所获氮掺杂石墨烯水凝胶的光学图片及SEM图片。
[0011]图2a-图2b分别是实施例2所获三维氮掺杂石墨烯-T12复合材料(NGT-2)的光学图片及SEM图片。
[0012]图3a-图3b分别是实施例3所获三维氮掺杂石墨烯-T12复合材料(NGT-4)的光学图片及SEM图片。
[0013]图4a_图4b分别是实施例4所获三维氮掺杂石墨烯-T12复合材料(NGT-6)的光学图片及SEM图片。
【具体实施方式】
[0014]本发明提供了一种新型三维氮掺杂石墨烯复合体系的制备方法，其包括:将氧化石墨烯分散于溶剂中，再加入含氮化合物和选定材料，均匀混合后进行反应，反应温度为O?150 °C，反应时间为O?8 h，而后依次经洗涤、干燥，获得三维氮掺杂石墨烯复合体系。
[0015]进一步的，所述的氧化石墨烯和含氮化合物的质量比为0.Γ1:100。
[0016]进一步的，所述溶剂可选自但不限于水、甲醇、乙醇、乙二醇、N，N-二甲基甲酰胺中的任一种或两种以上的混合物。优选自极性溶剂，尤其优选自水。
[0017]进一步的，所述含氮化合物可选自但不限于氨水、尿素、吡啶、吡咯、肼、二甲胺、甲乙胺、乙二铵、三乙胺、乙胺、二乙胺、三乙胺、正丙胺、正丁胺、三聚氰胺、苯胺、N-甲基-N-乙基苯、N，N-二乙基苯胺、溴化四乙铵、氢氧化三甲基乙基铵中的任一种或两种以上的混合物。优选自小分子有机胺，尤其优选自尿素。
[0018]进一步的，所述选定材料可选自但不限于聚合物、高导热材料、金属及其化合物、锂电活性正极与负极材料、超容活性材料中的任一种或两种以上的组合。
[0019]其中，所述聚合物可选自但不限于聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、环氧树脂、硅橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、橡胶树脂、聚乙二醇、聚碳酸酯、聚酰亚胺、尼龙中的任一种或两种以上的组合。
[0020]其中，所述高导热材料可选自但不限于石墨、富勒烯、炭黑、碳纳米管、碳纳米管纤维、氮化硼、氮化铝、碳化硅、锌、铝、铜、银、镍、镉、铁、碳素钢、氧化铝、硅、氧化铍、氮化硅、氧化镁中的任一种或两种以上的组合。
[0021]其中，所述金属及其化合物可选自但不限于金属颗粒或金属氧化物或其水合物，所述金属元素可选自但不限于T1、Au、Ag、Fe、Cu、Co、N1、Pt、Mn、Ru中的任一种或两种以上的组合。
[0022]其中，所述锂电活性正极可选自但不限于LiFeP04、LiMnPO4, LiCo02、LiMn204、LiNO2及三元材料中的任一种或两种以上的组合。
[0023]其中，所述负极材料可选自但不限于S1、Sn、Co、Fe2O3、Fe3O4、MnO2、Ni O、SnO2、SnO、Li4Ti5O12, RuO2, T12、中的任一种或两种以上的组合。
[0024]其中，所述超容活性材料可选自但不限于Fe2O3、MnO2、Ni O、RuO2中的任一种或两种以上的组合。
[0025]在一具体实施案例之中，该制备方法可以包括如下步骤:
(1)室温下将氧化石墨烯分散于溶剂中，所得混合液超声分散均匀后，加入选定材料和含氮化合物，超声或搅拌均匀，形成混合液；
(2)将上述混合液进行反应，反应温度为室温至150°C，反应时间为0-8 h ；
(3)将所得产物冷却至室温，离心收集产物，洗涤产物，烘干即得氮掺杂石墨烯复合材料。
[0026]进一步的，步骤(I)中可采用超声法或者加热搅拌法将氧化石墨烯均匀分散于溶剂中或将所述氧化石墨烯分散液与含氮化合物和选定材料均匀混合。
[0027]本发明是基于水热法或溶剂热法实现的，具有氮掺杂含量较高、氮含量可控、生产成本低、所需设备简单，产量高、易于实现工业化生产等优点，并且可使氧化石墨烯在还原的同时自组装成具有三维多孔结构的水凝胶。相比较于二维结构的氮掺杂