一种氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶及其制备方法，包括如下步骤：S1：一步水热法制备氮掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料；S2：制备氮、磷掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料。本发明专利技术制备方法操作简单、原料易得，反应条件容易达到，而且制得的三维网络状气凝胶拥有多孔的结构，比表面积高，且较为致密，机械强度较好。三维交联的孔结构以及碳骨架中氮、磷和NiP的掺杂增加了活性位点，使其可广泛应用于锂离子电池、超级电容器、水处理、电催化、光催化等各个领域。

Nitrogen and phosphorus doped NiP/ graphene composite aerogel and preparation method thereof

The invention relates to a nitrogen and phosphorus doped NiP/ graphene composite aerogel and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: S1: preparation of nitrogen doped NiO/ graphene aerogel three-dimensional composite material by one-step hydrothermal method; S2: preparation of nitrogen and phosphorus doped NiO/ graphene aerogel three-dimensional composite material. The preparation method of the invention is simple in operation, easy to obtain raw material and easy to meet the reaction conditions, and the three-dimensional network aerogel prepared has porous structure, high specific surface area and compact density, and has good mechanical strength. Three-dimensional cross-linking pore structure and doping of nitrogen, phosphorus and NiP in carbon skeleton increase the active sites, which can be widely used in lithium-ion batteries, supercapacitors, water treatment, electrocatalysis, photocatalysis and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶及其制备方法
本专利技术涉及一种NiP/石墨烯复合气凝胶及其制备方法，具体涉及一种氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶及其制备方法，属于纳米复合材料

技术介绍
石墨烯凭借其高比表面积(2630m2/g)、高导电性、高导热性、优异的机械性能和化学稳定性等性能，被广泛应用于环境、材料、电子等领域。另外，石墨烯因其高比表面积和丰富的边缘缺陷，为催化反应提供了活性位点，在催化物质的还原过程中前景甚好。然而，石墨烯纳米片之间的强π-π相互作用力导致石墨烯催化剂的团聚，使其实际比表面积远低于理论值，遮蔽了大量催化活性位点，同时也不利于石墨烯复合材料的合成，直接和间接地影响了催化性能。石墨烯气凝胶(GA)以石墨烯为骨架，形成以石墨烯为主体的三维多孔网络结构。它兼具石墨烯的纳米特性和气凝胶的宏观结构特性，GA独特的结构和组成不仅能够充分利用单片层石墨烯固有的理化性质，同时也解决了石墨烯片层间易团聚的难题，还赋予了它均匀密集的孔隙率。另外，进一步对石墨烯气凝胶的修饰和改性，如采用掺杂和复合等手段能有效调变其微观结构和性能。(1)掺杂杂原子杂原子(N,B,P,S)掺杂的碳材料由于其所具有的独特物理、电化学性能，在过去的10多年间吸引了研究者们的大量注意力。近年来，无论是无金属氧还原催化剂还是非贵金属氧还原催化剂载体材料都可以使用杂原子碳材料作为原料。迄今为止，大部分人都将主要的注意力集中在氮掺杂碳材料上。通过高温煅烧富氮聚合物、化学气相沉积、等离子体处理多孔碳等方式实现杂原子掺杂。在实现掺杂后，材料可以兼具两种材料的优势。目前认为，碳材料的氧还原性能主要由于杂原子掺杂到共轭碳骨架后，破坏了碳骨架的电中性。正是基于这个原因，人们制备了B/N共掺杂碳纳米管，材料显示出了超常的氧还原催化活性，与商用Pt/C催化剂相比，其具有很好的长时间稳定性，对甲醇、一氧化碳等燃料都具有很好的选择性和耐受性。但是，一些参数如起始电位、极限扩散电流都需要进一步提高。除了B/N共掺碳材料，P/N、Cl/N和S/N共掺杂材料,近期都被报道制备成功，并具有较好的氧还原电化学活性，但是目前仍存在制备条件复杂、产量低等缺点。(2)复合纳米粒子此外，杂原子掺杂石墨烯在电解液中的比电容较低，可以将石墨烯与其他材料进行复合来提高石墨烯材料在电解质的比电容。因此，石墨烯与金属氧化物组合成二元或三元复合材料，利用优势互补。近年来，过渡金属磷化物由于其良好的催化性能，电学性能和磁学性能受到了人们的广泛关注。过渡金属磷化物的物理性质与过渡金属碳化物和氮化物很相似，故其具有良好的高强度，高硬度，化学稳定性和热稳定性。另外，由于过渡金属磷化物同时具有金属及半导体特性，且其电解水产氢活性高、稳定性好、以及pH耐受限宽广，这些优势使其在电学，力学，磁学，抗腐蚀等方面具有潜在应用。镍在地壳中含量丰富(仅次于氧、硅、铝、铁、镁)，具有磁性和良好的可塑性，而NiP有良好的耐腐蚀性能以及极强的耐磨损和抗氧化特征，且NiP在达到纳米尺度时，具有较强的尺度和塑性，其比热也较大，纳米晶的热膨胀系数几乎可达到单晶的两倍。另外，通过调节表面活性的了类型，使得NiP获得不同类的介孔结构。构建NiP/GA后，带有介孔的纳米负载在带有微孔和大孔的GA中，NiP和GA发生协同效应，一方面，增大了GA中石墨烯的间距，形成了多层次孔级结构，另一方面，NiP附着在GA的内壁后，增加大量的活性位点，同时避免了自身的团聚，易于操作。
技术实现思路
为解决现有技术不足，本专利技术提供了一种氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶及其制备方法，本专利技术在石墨烯气凝胶表面构筑NiP纳米球/石墨烯气凝胶三维网状结构，利用石墨烯与NiP之间的协同作用，充分发挥石墨烯的超高导电性和NiP的催化性能，研究其在电催化析氢中的应用。相对于传统的掺杂方法，一方面，本方法通过两步掺杂两种不同的杂原子到碳材料中形成二元共掺杂碳材料，成为了提高材料氧还原催化性能的一种重要方法；另一方面，GA选择与催化活性较高的介孔NiP进行复合，增加了活性位点的同时，形成多层次孔级结构，便于电子传递，增加了催化活性。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：一种氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶的制备方法，包括如下步骤：S1、一步水热法制备氮掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料：将氧化石墨烯溶于溶剂中得到氧化石墨烯溶液，然后与镍源、铵源和表面活性剂按比例超声分散得混合溶液，高压釜反应5～48h，冷却至室温，经过冷冻干燥后得到氮掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料，所述氧化石墨烯与所述镍源的质量比为1:0.5-5，所述镍源与所述铵源的摩尔比为1-2:1，所述镍源与所述表面活性剂的摩尔比为1:0.1-1；S2、制备氮、磷掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料：将步骤S1中所得的氮掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料以及磷化原料放入管式炉，在300～1000℃煅烧，静置冷却至室温后得到氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶三维复合材料。基于上述技术方案，本方法结合了掺杂和复合两种方法。一方面，通过两步掺杂了两种不同的杂原子到碳材料中形成二元共掺杂碳材料，活性明显优于单原子掺杂。另一方面，NiP和石墨烯复合后，两者发生协同效果，明显增加了催化活性。进一步的，步骤S1中，所述氧化石墨烯的浓度为2～8mg/mL。进一步的，所述镍源选自硝酸镍、氯化镍和氧化镍中任意一种；所述铵源选自醋酸铵、氟化铵、氯化铵和硝酸铵中任意一种或多种；所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种。进一步的，步骤S1中，所述高压反应釜中的反应温度为100～200℃，反应时间为5～20h。进一步的，步骤S1中，所述溶剂选自去离子水、甲醇或乙醇中的任意一种。进一步的，步骤S1中，所述冷冻干燥的过程为：先在-80℃低温冰箱中冷冻0.5～5h，然后在-80℃冷冻干燥机中中干燥12～120h。进一步的，步骤S2中，所述磷化原料选自磷酸钠、亚磷酸钠、次亚磷酸铵中的任意一种。进一步的，步骤S2中，管式炉升温速度为3～8℃/min，煅烧温度为300～800℃，保温时间为40～200min。本专利技术还提供了一种氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶的制备方法制备得到的氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶。本专利技术的有益效果在于：1.制得的复合材料为三维网络状结构的NiP/石墨烯复合气凝胶为宏观结构而非传统的粉末，运用在电催化领域无需负载，分离过程简单，方便实用；2.富氮前驱体在高温下产生的氨气、乙酸和二氧化碳可进一步增强气凝胶以及NiP的疏松多孔结构，使氮原子掺杂到石墨烯表面，同时在表面活性剂的双重作用下，合成的介孔NiP更加均匀的负载在石墨烯气凝胶表面，显著提高了催化性能；3.本方法结合了掺杂和复合两种方法。一方面，通过两步掺杂了两种不同的杂原子到碳材料中形成二元共掺杂碳材料，活性明显优于单原子掺杂。另一方面，NiP和石墨烯复合后，两者发生协同效果，明显增加了催化活性；4.该制备方法操作简单、原料易得，无需交联剂，反应条件容易达到，具有较大的工业化应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例2制备的NiO/石墨烯复合气凝胶N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、一步水热法制备氮掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料：将氧化石墨烯溶于溶剂中制备氧化石墨烯溶液，然后与镍源、铵源和表面活性剂按比例超声分散得混合溶液，高压釜反应5～48h，冷却至室温，经过冷冻干燥后得到氮掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料，所述氧化石墨烯与所述镍源的质量比为1:0.5‑5，所述镍源与所述铵源的摩尔比为1‑2:1，所述镍源与所述表面活性剂的摩尔比为1:0.1‑1；S2、制备氮、磷掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料：将步骤S1中所得的氮掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料以及磷化原料放入管式炉，在300～1000℃煅烧，静置冷却至室温后得到氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶三维复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、一步水热法制备氮掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料：将氧化石墨烯溶于溶剂中制备氧化石墨烯溶液，然后与镍源、铵源和表面活性剂按比例超声分散得混合溶液，高压釜反应5～48h，冷却至室温，经过冷冻干燥后得到氮掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料，所述氧化石墨烯与所述镍源的质量比为1:0.5-5，所述镍源与所述铵源的摩尔比为1-2:1，所述镍源与所述表面活性剂的摩尔比为1:0.1-1；S2、制备氮、磷掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料：将步骤S1中所得的氮掺杂的NiO/石墨烯气凝胶三维复合材料以及磷化原料放入管式炉，在300～1000℃煅烧，静置冷却至室温后得到氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶三维复合材料。2.根据权利要求1所述氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述氧化石墨烯溶液的浓度为2～8mg/mL。3.根据权利要求1所述氮、磷掺杂的NiP/石墨烯复合气凝胶的制备方法，其特征在于，所述镍源选自硝酸镍、氯化镍和氧化镍中任意一种；所述铵源选自醋酸铵、氟化铵、氯化铵和硝酸铵中任意一种或多种；所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、十六...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻发全，陈晨，王建芝，李辉，朱琳，薛亚楠，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42