[發明專利]一種硼、氮共摻雜石墨烯及其制備和應用

有效

• 申請號: 201310691216.2
• 申請日: 2013-12-15
• 公開（公告）號: CN104710445B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 孫公權;金具濤;姜魯華
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C07F5/02
• 分類號: C07F5/02;B01J31/14;B01J27/24;C01B31/04
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及一種硼、氮共摻雜的石墨烯，本發明同時也涉及硼、氮共摻雜的石墨烯的制備方法。

背景內容

由于存在廣闊的應用前景，具有石墨結構的石墨烯片層材料正受到越來越多的研究關注。相比石墨和六方氮化硼材料，石墨烯三元系材料具有成分和結構可調的優勢。這種三元系材料的性能很大程度上決定于硼和氮的摻雜濃度以及它們的結構。在石墨烯材料體系中，按照硼和氮在晶格中的相對位置，可將它們分為兩類：即硼和氮處于鄰位結合態的硼、氮共摻雜石墨烯，以及非鄰位分離態的硼、氮共摻雜石墨烯。由于結構的不同，這兩種材料在性能上存在較大差異。目前，石墨烯片層材料的制備主要采用化學氣相沉積法。這種方法的缺點在于石墨烯材料在生長過程中硼原子和氮原子容易結合而形成硼、氮共摻雜石墨烯，不適于制備硼、氮共摻雜石墨烯材料，且難于實現批量化。為了控制石墨烯材料中硼和氮原子結構而形成非鄰位石墨烯，一些研究小組發展了“兩步摻雜法”來制備石墨烯材料。“兩步摻雜法”的特點在于，先在母體石墨晶格中摻雜一種元素，然后再摻入另外一種元素。由于先摻入的元素被碳原子包圍，難于同后續摻雜的元素結合，而形成石墨烯材料。為了尋找更為簡便的制備石墨烯材料的方法，我們發展了一種“軟模板”法來制備石墨烯納米片層材料。這種制備方法的特點在于采用可聚合的含氮化合物（如尿素，腈胺，三聚氰胺等），同可碳化的化合物（如糖類，高聚醇類等）以及硼的前軀體（如硼酸、硼氧化物）均勻混合后，首先在較低的溫度下使得含氮化合物聚合成層狀化合物g-C₃N₄的“軟模板”，同時碳的前驅體在它的層間碳化。在更高的溫度下，g-C₃N₄軟模板分解而形成片層的石墨結構。g-C₃N₄的分解產物可用于氮的摻雜，而硼酸則用于摻雜硼。通過調整高溫處理條件，可分別制備硼、氮共處于結合態和分離態的石墨烯。

發明內容

為實現上述目的，本發明采用以下具體方式實現。

一種硼、氮共摻雜石墨烯，所述石墨烯為片層褶皺狀結構，片層的層數在1-10層之間；硼摻雜量為1%-16.6%，氮摻雜量為1%-16.6%。

所述硼和氮處于石墨烯的分子晶格結構中；硼和氮處于不同的石墨烯六元環中，一個石墨烯六元環中存在一個硼或一個氮；或一個硼和一個氮處于同一石墨烯六元環中。

所述硼、氮共摻雜石墨烯的制備方法，包括以下制備步驟，

a）將碳、氮和硼的前驅體于溶劑中混合攪拌均勻，其中，前驅體中碳和氮的摩爾比為1:5-1:120；前驅體中碳和硼的摩爾比為1:0.01:-1：1；

b)將步驟a)所得混合物于60℃烘干后，在惰性氣體保護下于450-650℃條件下保溫0.5-24h；

c)將步驟b)所得產物，在惰性氣體保護下進一步加熱到700-1100℃并保溫0.5-24h，冷卻至室溫后得到硼、氮共摻雜石墨烯。

步驟b)中所述保溫溫度較優為550-600℃；保溫時間較優為2-4h；步驟c)中所述保溫溫度較優為800-1000℃；保溫時間較優為2-4h。

當步驟a）中所述碳和氮的前驅體的摩爾比為1：5-1:120，碳和硼的前驅體的摩爾為1:0.01-1：0.25；步驟c)中所述惰性氣體保護下的加熱溫度為950-1100℃，此時制得的石墨烯中，若一個硼和一個氮處于同一石墨烯六元環中時，硼和氮在分子結構中處于對位分離態。

當步驟a）中所述碳和氮的前驅體的摩爾比為1:5-1：120，碳和硼的前驅體的摩爾比為1:0.01-1：1；步驟c)中所述惰性氣體保護下的加熱溫度為700-850℃，此時制得的石墨烯中，若一個硼和一個氮處于同一石墨烯六元環中時，硼和氮在分子結構中處于鄰位結合態。

步驟a)中所述碳的前驅體為蔗糖、葡萄糖、聚乙二醇、纖維素中的一種或兩種以上；所述氮的前驅體為尿素、腈胺、三聚氰胺中的一種或兩種以上；所述硼的前驅體為硼酸或氧化硼或二者的混合物。

步驟a)中所述溶劑為乙醇或水或者兩者的混合物。

步驟b)和步驟c)中所述惰性氣體為氮氣、氬氣、氦氣中的一種或兩種以上。

所述方法制備的述硼、氮處于對位的共摻雜石墨烯的應用，其可用于堿性環境中的氧還原電催化劑。

所述方法制備的述硼、氮處于鄰位的共摻雜石墨烯的應用，其可用于介電材料。