[發明專利]一種氮硫共摻雜石墨烯的制備方法

有效

• 申請號: 201310073047.6
• 申請日: 2013-03-07
• 公開（公告）號: CN103172057A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 王海輝;蔡丹丹;王素清
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術領域

本發明涉及石墨烯納米材料領域，特別涉及一種氮硫共摻雜石墨烯的制備方法。

背景技術

石墨烯是SP²雜化的碳原子以六元環方式進行堆積所形成的二維結晶體。自從安德烈·K·海姆（Andre?Geim）教授及其合作者在2004年用機械剝離方法首次制備出石墨烯以來，石墨烯很快成為當前納米電子學、凝聚態物理學和材料科學研究的熱點。二維結構的石墨烯由于具有獨特的物理、化學和機械性能，在電子學、傳感器、超級電容器和電池等領域具有重要的應用價值。近年來，實驗和理論證明例如氮、硼、硫、磷和鹵族元素等雜原子的摻雜能夠調節和改變石墨烯的電學性能和化學穩定性，進一步擴大了石墨烯材料的潛在應用范圍。

2009年中國科學院化學研究所劉云圻研究組首次報道了氮摻雜石墨烯的制備方法（化學氣相沉積），并研究了氮摻雜對石墨烯電學性能的影響。另外斯坦福大學戴宏杰課題組通過電熱得到了氮摻雜石墨烯（Science324(2009)768）。至此，摻雜石墨烯材料的制備及性能研究逐漸成為人們關注的熱點。目前摻雜石墨烯的研究主要集中在氮或硼摻雜石墨烯。理論研究表明硫元素（電負性：2.58）與碳元素（電負性：2.55）相似的電負性，使其成為一種具有開發價值的摻雜元素。硫摻雜石墨烯可以提供石墨烯帶隙的途徑，因而在微電子器件、氣體傳感器以及生物醫學等領域具有潛在的應用前景。蘭州大學高輝通過化學氣相沉積技術制備了硫摻雜石墨烯，見申請號201110095599.8的中國發明公開《硫摻雜石墨烯薄膜的制備方法》（公開號：CN102191476A）。但現階段對共摻雜石墨烯的研究較少。

第一性原理研究表明雜原子的共摻雜可以調節石墨烯的電子能帶結構，對石墨烯電子特性有明顯的調控作用。德國聚合物馬普研究所Klaus?Müllen課題組利用氨氣和二氧化硫分別作為氮源和硫源在高溫下制備了氮硫共摻雜石墨烯，并研究其氧還原反應（Advanced?Functional?Materials22(2012)3634）。他們發現氮硫共摻雜石墨烯能表現出好的電催化活性，穩定性和高的選擇性，在這里氮硫雙元素的共摻雜能對石墨烯性能的提高起到協同作用。但是他們采用的這種方法采用氣體為氮源和硫源，涉及到有刺激性氣味和腐蝕性的氨氣和二氧化硫氣體，容易對環境造成污染，并且對設備的耐腐蝕性要求比較高。因此尋找對環境友好的氮源、硫源以及設計簡單的合成工藝來獲得性能優異的氮硫共摻雜石墨烯仍然是一個挑戰。

發明內容

為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的在于提供一種氮硫共摻雜石墨烯的制備方法，該制備方法具有工藝簡單、成本低廉、反應過程容易控制等優點，適用于工業化大規模的生產。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

一種氮硫共摻雜石墨烯的制備方法，包括以下步驟：

將石墨烯或石墨烯衍生物與含氮化合物、含硫化合物研磨并混合均勻，在惰性氣體的保護下，500～1000℃熱退火，并恒溫1～5h，降至室溫，即得氮硫共摻雜石墨烯；其中氮硫共摻雜石墨烯中氮元素占1～10at.%，硫元素占0.5～2at.%。

所述含氮化合物包含尿素、三聚氰胺、酰胺、銨鹽中的至少一種。

所述含硫化合物包含二芐基二硫、P-甲苯磺酸、2-噻吩甲醛中的至少一種。

所述含氮化合物包含含氮和硫的化合物；所述含硫化合物包含含氮和硫的化合物。

所述含氮和硫的化合物為硫脲、L-半胱氨酸-S-2-噻吩中的至少一種。

所述石墨烯衍生物為氧化石墨、氧化石墨烯或還原化的石墨烯。

所述惰性氣體為氮氣、氬氣或氦氣中的至少一種。

與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果：

（1）本發明方法具有工藝簡單、成本低廉、反應過程容易控制等優點，適用于工業化大規模的生產。

（2）本發明方法制備的氮硫共摻雜石墨烯中，氮和硫除了發揮各自的作用外，氮硫的協同效應使得石墨烯在應用中表現出更好的性能。

（3）氮硫共摻雜石墨烯可以應用于超級電容器、傳感器、催化、燃料電池、鋰空氣電池等領域。

附圖說明

圖1為本發明的實施例1制備的氮硫共摻雜石墨烯的透射電鏡(TEM)圖。

圖2為本發明的實施例1制備的氮硫共摻雜石墨烯與未摻雜石墨烯的X射線衍射(XRD)圖。

圖3為本發明的實施例1制備的氮硫共摻雜石墨烯與未摻雜石墨烯的拉曼(Raman)圖譜。

具體實施方式