[發明專利]一步制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的方法和裝置

有效

• 申請號: 201310479256.0
• 申請日: 2013-10-14
• 公開（公告）號: CN103553017A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 劉富池;湯怒江;鐘偉;都有為
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: C01B31/00
• 分類號: C01B31/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

一、技術領域

本發明涉及一種一步制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的方法和裝置。尤其是能實現氧化石墨烯、二氟化氙和尿素的有效分離和同步反應。

二、背景技術

自從氮摻雜氧化石墨烯被發現以來，由于其具有獨特的光電子特性，氮摻雜氧化石墨烯已被廣泛用于太陽能電池、鋰電池、超級電容以及光學等領域。而氟原子有很強的電負性，氟化石墨烯具有很強的穩定性。相關的研究表明氟化石墨烯是一種寬帶隙的半導體，在紫外區有明顯的熒光。理論研究表明，相對于一種原子的摻雜，同時進行兩種原子的摻雜將會降低不同原子之間的排斥作用，從而使摻雜更有效。目前報道的兩種原子摻雜石墨烯或氧化石墨烯通常采用氣相沉積法，先完成其中一種反應溫度較高的摻雜，然后再進行溫度較低的摻雜。本申請人研究組不久前已經報道了氟、氮雙摻還原氧化石墨烯的方法，該方法是先利用氣相沉積法進行氮摻雜，然后再把氮摻雜所得的樣品通過消解罐加熱的方法進行氟摻雜。本發明方法是這種方法的有力補充，不需要特定的高溫爐和氨氣，且更簡單，易控制，且能一步同時完成氟和氮的雙摻，所得氟、氮雙摻雜氧化石墨烯的氟和氮含量高；且反應溫度低，所得氟、氮雙摻雜氧化石墨烯結構相比高溫反應所得樣品結構更完整，將能擴大氟、氮雙摻雜氧化石墨烯在光電材料方面的應用。本申請的一步制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的方法和裝置是氟、氮雙摻石墨烯研究的重大發現。

三、發明內容

本發明的目的在于，提出一種更簡易、更快捷和更有效的氟、氮雙摻雜氧化石墨烯的制備方法及制備裝置。本發明通過分別以尿素和二氟化氙為氮源和氟源、以消解罐作為反應室在200℃下反應制備氟、氮雙摻雜氧化石墨烯。與傳統方法相比，本發明工藝不不需要高溫爐等高溫處理設備，也不需要穩定的氨氣為氮源來完成實驗。因此，本發明工藝具有低成本、低溫反應的特征。并且，此制備工藝簡單、過程容易控制，適宜大規模生產。

本發明的技術方案是：制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的方法，其特征是以氧化石墨烯為原材料，分別以尿素和二氟化氙為氮源和氟源，將氧化石墨烯、二氟化氙和尿素分別放在制成的三層石英杯中，其中將氧化石墨烯放在三層石英杯的上層，二氟化氙放在三層石英杯的中層，尿素放在三層石英杯的下層，實現三者的有效分離；三層石英杯裝進聚四氟乙烯內杯，聚四氟乙烯內杯密閉；再把聚四氟乙烯內杯裝進不銹鋼外罐，用水管鉗把不銹鋼外罐的蓋子擰緊；把不銹鋼外罐放進烘干箱，在200±20℃下恒溫反應10-24小時，自然冷卻至室溫。氧化石墨烯、二氟化氙和尿素三者的質量比是0.8-1.2:0.8-1.2:50-150。

本發明的有益效果是：目前分別以尿素和二氟化氙為氮源和氟源、以消解罐為反應室在200℃左右的低溫下一步制備氟、氮雙摻雜氧化石墨烯從未見報道。用本發明的方法制備的氟、氮雙摻雜氧化石墨烯，氟、氮含量較高，其氟、氮原子個數百分含量分別達到5.30%和25.78%；而氧含量較低，其原子個數百分含量僅為8.66%。

用本發明制備的產品通過以下手段進行結構和性能表征：利用日本JEOL公司生產的JEM-200CX透射電子顯微鏡(TEM)直接觀察產品的形狀和尺寸；采用x射線電子能譜儀分析樣品的氮摻雜情況。

四、附圖說明

圖1是制備樣品所需三層的石英杯示意圖，從圖中可見上、中、下分層的石英杯能有效分離氧化石墨烯、二氟化氙和尿素，又能保證在加熱環境下同步反應。

圖2是氧化石墨烯的透射電鏡觀測結果，從圖中可見產品具有相對平整的二維的透明膜狀結構。

圖3是制備所得的氟、氮雙摻雜氧化石墨烯透射電鏡觀測結果，從圖中可見產品同樣具有相對平整的二維的膜狀結構，但其透明度有所下降，并且出現了較為明顯的皺褶。

圖4是氧化石墨烯和氟、氮雙摻雜氧化石墨烯x射線電子能譜圖，從圖中可見原始的氧化石墨烯(GO)在284.6eV和532eV出現了明顯碳峰和氧峰，而氟、氮雙摻雜氧化石墨烯(F,N-GO)則分別在400eV和685eV處多出現了兩個明顯的氟、氮峰，說明氟、氮原子已經成功摻進了氧化石墨烯。

五、具體實施方式

以下是本發明的實施例（實施例中所用試劑為化學純）。自行設計一個三層的石英杯，把50mg氧化石墨烯、50mg二氟化氙和6.0g尿素分別放在三層石英杯的上層、中層和下層，實現三者的有效分離；把三層石英杯裝進100ml規格的聚四氟乙烯內杯，聚四氟乙烯內杯密閉；再把聚四氟乙烯內杯裝進不銹鋼外罐，用水管鉗把不銹鋼外罐的蓋子擰緊，在200℃下反應10小時，自然冷卻至室溫，即得到所需的氟、氮雙摻氧化石墨烯。