[發明專利]一種氮摻雜石墨烯的水相制備方法

無效

• 申請號: 201210111329.6
• 申請日: 2012-04-16
• 公開（公告）號: CN102616775A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 夏興華;鄭波
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 黃嘉棟

技術領域

本發明涉及一種氮摻雜石墨烯的水相制備方法，具體涉及一種以恒溫水熱反應制備具有較大比表面積的氮摻雜石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯(Graphene)是一種零能隙半導體材料，將其應用于微電子器件需對其帶隙或載流子濃度等進行調節。化學摻雜是實現調控材料物理、化學性質的一種有效方法，如通過富電子或缺電子的元素或分子化學摻雜石墨烯材料，可以調控石墨烯的載流子濃度，從而實現對其能帶寬度和催化性質等物理化學性能的調控。理論研究結果表明，在石墨烯片層中引入如N、B等雜原子可以有效地將石墨烯從零帶隙的半金屬轉變成半導體，形成n-型或p-型摻雜的石墨烯，預示了摻雜石墨烯在光學、電學、磁學等領域的潛在應用前景。此后，眾多實驗科學家致力于石墨烯的化學摻雜方法研究。2009年，劉云圻研究小組首次報道了氮摻雜石墨烯的制備方法，并研究了氮摻雜對石墨烯電學性能的影響。他們通過化學氣相沉積(CVD)方法，以甲烷氣體作為碳源，氨氣作為氮源，以沉積在硅基底表面的25nm銅膜為催化劑，在800℃的高溫下保持10分鐘，制得了少數幾層氮摻雜石墨烯。隨后，科學家們發展了各種制備摻雜石墨烯的方法，例如采用電熱反應的方法，以氨氣為氮源，將氮原子取代石墨烯晶格中的碳原子，制備了氮摻雜石墨烯；以氧化石墨烯為起始原料和氨氣為氮源，通過高溫退火同時實現GO的還原和氮的摻雜，制得氮摻雜石墨烯。我們也提出了以氧化態石墨和三聚氰胺為反應原料高溫退火法制備氮摻雜石墨烯的方法(專利號：201110024899.7)。此外，還有使用電弧放電方法制備硼或氮摻雜石墨烯。

綜上所述，現有石墨烯摻雜方法中均采用氣相體系中通過高溫或電弧放電的方法將氮、硼等雜原子摻雜到石墨烯的晶格中，但這些方法需采用高真空系統等專業設備，還需使用高危險性的氫氣、腐蝕性的氨氣、高毒性的硼烷等，其制備條件苛刻、成本高、危險性大，故不適宜大規模生產。另外，熱退火法所制備的氮摻雜石墨烯比表面積小，限制了所制備產物的推廣使用。顯然，發展快速、簡單、綠色和高效制備摻雜石墨烯的方法是當今該領域的一個研究的熱點和重點。

發明內容

為了解決目前氮摻雜石墨烯制備方法中使用高毒性和危險性化學試劑、制備難度大、成本高、產物比表面積小等問題，本發明提出了一種成本低、快速、產物比表面積大的水相制備氮摻雜石墨烯的新方法。利用該方法所制備得到的產品可以廣泛應用于電子器件、復合材料、傳感、生物分析、儲能材料等領域。

為了實現上述目的，本發明采用了以下的技術方案：

一種氮摻雜石墨烯(NG)的水相制備方法，其特征在于：將原料氧化態石墨烯水懸濁液(濃度0.5-5mg/mL)和固體尿素混合溶解，氧化態石墨烯和尿素的質量比為：1-0.01，移入不銹鋼反應釜，置于烘箱中恒溫水熱反應，反應溫度為150-200℃，反應時間為5-20小時，自然降至室溫，取出樣品用二次去離子水浸泡或透析，除去未反應的尿素，冷凍干燥，即得氮摻雜石墨烯，氮摻雜量為2.05-8.47％，比表面積為450-550m²/g。

本發明所述的樣品干燥的方法是冷凍干燥，可以有效保持氮摻雜石墨烯的片層結構。

本發明的有益效果在于：

本發明可以根據產品性質的需要，通過改變原料質量比等實驗條件，制備不同氮摻雜比例的石墨烯產物；利用氧化石墨烯懸濁液和尿素經水熱法制備氮摻雜石墨烯，通過調控反應溫度、時間和反應物的比例等條件，實現氧化石墨烯的有效還原和產物中氮摻雜比例的控制；

本發明所述的氮摻雜石墨烯是利用尿素為氮源，在水熱條件下，氧化態石墨烯上含氧功能團分解的同時進行氮摻雜，該技術方案中除需一臺烘箱、一臺冷凍干燥機和反應釜外，不需要其它任何專用設備，所以制備方法簡便易行，反應過程易于控制、安全、成本低，其制備技術極易推廣使用。

附圖說明

附圖中：HNG1為W(GO)/W(urea)＝0.3

HNG2為W(GO)/W(urea)＝0.1

HNG3為W(GO)/W(urea)＝0.06

HNG4為W(GO)/W(urea)＝0.03

圖1：氮摻雜石墨烯(NG)的X射線衍射圖譜。

圖2：氮摻雜石墨烯(NG)的掃描電鏡圖片。

圖3：不同氮摻雜比例石墨烯的拉曼光譜圖。

圖4：不同氧化石墨烯與尿素質量比下氮摻雜石墨烯(NG)的X射線光電子能譜圖。

圖5：不同氮摻雜比例石墨烯的N1s峰。

圖6：N2吸附脫附等溫線。

具體實施方式

實施例1