本發明是一種氮/硫共摻三維石墨烯海綿的制備方法，屬于一種石墨烯宏觀體的制備方法。
背景技術：
鋰硫電池是一種依靠鋰與硫的氧化還原反應，造成硫-硫鍵的斷裂/生成與電子轉移，實現化學能與電能間相互轉換的二次電池。鋰硫電池理論比能量為2600Wh/Kg，是目前鋰離子電池理論比能量(500WhKg-1)的5倍，被公認為下一代最具前景的鋰二次電池。有望在便攜式電子產品、電動汽車、航天飛行器以及電網傳輸等領域得到廣泛應用，在當今社會、經濟及科技的發展上發揮著巨大的作用，具有十分光明的應用前景。
但是室溫條件下，單質硫電導率低，在鋰硫電池充放電過程中生成可溶性的多硫化物，造成多種副反應與體積變化，導致鋰硫電池正極活性物質利用率低、倍率性能差以及循環壽命短，制約硫作為鋰二次電池正極材料電池的發展。因而，提高鋰硫電池正極活性物質利用率和循環壽命以及改善倍率性能成為鋰硫電池是今后的重點發展方向。
石墨烯是一種新型二維納米材料，其納米片是由sp2雜化碳原子組成的單原子層厚度的二維材料，是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，強度高達1.01TPa，是結構鋼的100倍，密度卻是結構鋼的1/5。導熱系數高達5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下電子遷移率超過200000cm2/V·S，高于納米碳管或硅晶體，電阻率只約1Ω·m，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。
石墨烯具有非常高的電導率，將其用于鋰硫電池正極材料可以解決硫元素不導電的問題，提高正極材料導電性。石墨烯屬于納米級材料，具有表面活性，易與其他材料粒子結合，易于固定多硫化物，防止發生穿梭效應。由于石墨烯的韌性和強度，以石墨烯作為鋰硫電池正極材料骨架，能有效解決鋰硫電池正極材料體積變化問題。但傳統二維石墨烯正極材料很難提高其自身比表面積，對固定多硫化物的貢獻有限。三維石墨烯具有多孔結構，高比表面積，高導電性和高機械強度，因此成為鋰硫電池正極材料理想骨架。
技術實現要素：
本發明正是針對上述現有技術中存在的問題而設計提供了一種氮/硫共摻三維石墨烯海綿的制備方法，其目的是以水熱反應的方式，通過高溫高壓，將氧化石墨烯還原成石墨烯，形成三維海綿狀石墨烯，解決鋰硫電池正極材料存在的問題。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：
該種氮/硫共摻三維石墨烯海綿的制備方法，其特征在于：該方法的步驟如下：
步驟一、氧化石墨烯/硫脲混合物的制備
將氧化石墨烯溶于去離子水中，得到氧化石墨烯水溶液，該溶液中氧化石墨烯的濃度為2.6mg/ml～15.6mg/ml；
步驟二、將硫脲加入到氧化石墨烯水溶中，再利用超聲振蕩進行均勻分散，形成氧化石墨烯/硫脲混合溶液，氧化石墨烯與硫脲的質量比為1:4～1:10；
步驟三、將氧化石墨烯/硫脲混合溶液導入水熱反應釜中，再將水熱反應釜放入干燥爐中進行水熱反應，水熱反應溫度為150～200℃，加熱時間為12～24h，得到氮/硫共摻三維石墨烯；
該步驟中，氧化石墨烯被還原成石墨烯，同時石墨烯自組裝成三維石墨烯宏觀體，并在石墨烯基體中摻雜氮元素和硫元素；
步驟四、用去離子水反復清洗剩余硫脲后，將氮/硫共摻三維石墨烯進行冷凍干燥，冷凍干燥溫度為-55℃，時間為72h。
氧化石墨烯為片狀，其外廓尺寸為10μm～20μm。
本發明技術方案與以往三維石墨烯海綿制備方法的區別在于引入了含有氮和硫的官能團，這些官能團取代氧化石墨烯表面或邊緣原有的羥基和羧基基團。這些含氮和硫的官能團在鋰硫電極反應過程中與多硫化物產生強烈相互作用，從而增強對多硫化物的固定作用。經電化學性能測試，以該三維石墨烯海綿作為正極材料的鋰硫電池在0.2C倍率下，初始比容量高達1200mAh/g。
通過上述技術方案獲得的氮/硫共摻具有明顯的優點。以氮/硫共摻石墨烯作為鋰硫電池正極材料，可以發揮以下優勢：首先，石墨烯的高電導率有利于提高鋰硫電池正極材料的導電性；其次，三維石墨烯的多孔結構、高比表面積以及表面的官能團，能有效固定多硫化物；最后，石墨烯的高強度和高韌性能夠能有效調節多硫化物在電極反應過程中產生的體積變化。以氮/硫共摻三維石墨烯海綿作為鋰硫電池正極材料能夠有效提高鋰硫電池的電化學性能。
具體實施方式
以下將結合實施例對本發明技術方案作進一步地詳述：
實施例
采用本發明方法制備氮/硫共摻三維石墨烯海綿的步驟如下：
步驟1：配制氧化石墨烯與硫脲混合溶液；
(1)將260mg氧化石墨烯溶于100ml去離子水中；
(2)將稱取的硫脲1.52g硫脲溶入氧化石墨烯溶液中；
(3)將步驟b中制備的氧化石墨烯溶液放入超聲波震蕩器中攪拌30min；
步驟2：氧化石墨烯與硫脲混合溶液導入水熱反應釜中；
步驟3：將步驟2所得水熱反應釜放入在干燥爐中，180℃，24小時，進行水熱反應；
步驟4：將步驟3所得氮/氮共摻三維石墨烯海綿用去離子水反復清洗剩余硫脲；
步驟5：將步驟4所得碳/氮共摻海綿石墨烯冷凍干燥。
通過上述方法，實現了石墨烯自組裝成為三維石墨烯海綿以及氮/硫官能團在石墨烯表面的摻雜，通過本工藝可以較精確的控制三維石墨烯海綿的密度，同時本工藝簡單，易于實現大批量的氮/硫共摻石墨烯海綿的制備，有利于工程應用。