[發明專利]一種制備氮摻雜石墨烯的新方法

有效

• 申請號: 201310123787.6
• 申請日: 2013-04-10
• 公開（公告）號: CN103159210A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 曹達鵬;張鵬;向中華
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;B82Y30/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明涉及一種由共價有機聚合物高溫碳化制備氮摻雜石墨烯的新方法，屬于石墨烯技術領域。

背景技術

石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成的單層片狀結構的新型材料。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，從而證實石墨烯可以單獨存在。石墨烯是一種具有高電熱傳導性、高比表面積、高機械強度和韌性的新型材料。另外，石墨烯能夠在高摻雜水平下保持較高的遷移率。這些性質使得石墨烯可以作為電極的成份和電催化劑廣泛地應用在能源儲存和轉化領域。

石墨烯的電學和化學性質可以通過化學摻雜外部的原子和官能團來調制。在石墨烯框架中氮原子取代碳原子可以得到n‐型半導體，氮原子的孤電子對可以和sp²雜化碳原子形成離域共軛系統，極大程度地可以提高石墨烯的反應性和電催化性能。目前為止，合成氮摻雜石墨烯的方法主要包括氣相沉積法（CVD）(Wei,D.C.;Liu,Y.Q.;Wang,Y.;Zhang,H.L.;Huang,L.P.;Yu,G.Synthesis?of?N‐Doped?Graphene?by?Chemical?Vapor?Deposition?and?Its?Electrical?Properties.Nano?Lett.2009,9,1752–1758.)、電弧放電法（石墨電極和吡啶蒸氣）（Panchakarla,L.S.;Subrahmanyam,K.S.;Saha,S.K.;Govindaraj,A.;Krishnamurthy,H.R.;Waghmare,U.V.;Rao,C.N.R.Synthesis,Structure?and?Properties?ofBoron?and?Nitrogen?Doped?Graphene.Adv.Mater.2009,21,4726–4730.）、熱分解法（氧化石墨和含氮物質）（含氮物質為氨氣Li,X.L.;Wang,H.L.;Robinson,J.T.;Sanchez,H.;Diankov,G.;Dai,H.J.Simultaneous?Nitrogen?Doping?and?Reduction?of?Graphene?Oxide.J.Am.Chem.Soc.2009,31,15939–15944.）(含氮物質為三聚氰胺Sheng,Z.H.;Shao,L.;Chen,J.J.;Bao,W.J;Wang,F.B.;Xia,X.H.Catalyst‐Free?Synthesis?of?Nitrogen‐Doped?Graphene?via?Thermal?Annealing?Graphite?Oxide?with?Melamine?and?Its?Excellent?Electrocatalysis.ACS.Nano.2011,5(6),4350–4358)、等離子體法（氮氣等離子處理石墨烯）（Shao,Y.Y.;Zhang,S.;Engelhard,M.H.;Li,G.S.;Shao,G.C.;Wang,Y.;Liu,J.;Aksay,I.A.;Lin,Y.H.Nitrogen‐Doped?Graphene?and?Its?Electrochemical?Applications.J.Mater.Chem.2010,20,7491–7496.）。在化學氣相沉積法中，氮源的毒性和過渡金屬催化劑可能污染合成產物，限制了氣相合成方法的實際應用。而電弧放電和N₂等離子體法需要特殊的設備和更加嚴格的反應條件。在以上傳統制備氮摻雜石墨烯的方法中，摻雜的氮常分布于材料的缺陷處，氮含量與分布位置具有不確定性。為簡化合成設備、完全排除金屬催化劑的影響和能夠精確控制氮元素的含量和分布位置，發明一種無催化劑、無需外加氮源，且操作簡單、容易實現、氮元素分布均勻和規模合成氮摻雜石墨烯的方法顯得尤為重要。

發明內容

本發明所要解決的第一個技術問題是針對上述的技術現狀而提供一種具有高電化學性能氮摻雜石墨烯材料的制備方法，操作方便，容易實現且可規模合成。

本發明所要解決的第二個技術問題是制備過程無需添加氮源，原料即為含氮有機聚合物。

本發明所要解決的第三個技術問題是可以通過篩選不同的母體來精確控制氮摻雜石墨烯材料的氮含量和氮的分布，還可以根據碳化溫度的高低來調控碳化材料的石墨化程度，進一步可調控材料的電化學性能。