[發明專利]一種通過化學還原制備氮硫共摻雜石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201410040657.0
• 申請日: 2014-01-27
• 公開（公告）號: CN103864063A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 謝健;馮斌;朱鐵軍;曹高劭;趙新兵
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及石墨烯的制備領域，具體涉及一種通過化學還原制備氮硫共摻雜石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯（graphene）由于具有獨特的二維晶體結構，高的電子電導率、高的熱導率以及高的機械強度及高的化學穩定性，在很多領域，如光電子、磁能、儲能、催化等領域具有廣闊的應用前景。自2004年被首次發現以來，越來越受到科學界的重視，在全球范圍內引起研究石墨烯的高潮，最早發現石墨烯的兩位科學家獲得2010年度的諾貝爾物理學獎。

目前制備石墨烯的方法有機械剝離法、化學氣相沉積法及溶液化學法。機械剝離法和化學氣相沉積法由于產量比較低，不適合大規模工業化應用。大規模生產石墨烯一般采用溶液化學法，即先將天然石墨氧化制備氧化石墨（graphene?oxide），再將氧化石墨還原成石墨烯。在液相條件下，一般采用水合肼、NaBH₄或KBH₄等還原劑將氧化石墨還原。

如公開號為CN102795622A的專利文獻公開了一種還原劑還原氧化石墨烯制備石墨烯的方法，采用的還原劑為碲氫化鈉；公開號為CN103241734A的專利文獻公開了一種氧化石墨烯的還原方法，以金屬氫化物為還原劑，所述金屬氫化物為鋁氫化鋰、硼氫化鈉、氫化鈉中的一種；公開號為CN102153078A的專利文獻公開了一種氧化石墨烯的還原方法，以丙酮肟、乙醛肟或甲乙基酮肟為還原劑。

然而，廣泛采用水合肼、二甲基肼、硼氫化鈉等有毒還原劑，造成一定程度的環境污染、危害健康，且會提高生產成本，因此探索出一種簡單、經濟、綠色環保的還原工藝和方法是一個亟待解決的問題。

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法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。

公開號為CN103172057A的中國專利文獻公開了一種氮硫共摻雜石墨烯的制備方法，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。

發明內容

本發明提供了一種通過化學還原制備氮硫共摻雜石墨烯的方法，以成本低廉、易得的中藥材為還原劑及共摻雜劑，反應條件溫和、工藝簡單、綠色環保、成本低廉，適合于大規模工業生產；制備得到的石墨烯為氮硫共摻雜石墨烯，具有極佳的電性能，可應用于超級電容器、傳感器、催化、染料電池、鋰空氣電池等諸多領域。

本發明公開了一種通過化學還原法制備石墨烯的方法，步驟如下：

1）將氧化石墨與去離子水混合得到分散液；

2）將中藥材與去離子水混合得到懸浮液，先經煮沸、冷卻，再經抽濾、離心后得上清液，待用；

3）將步驟2）得到的上清液與步驟1）得到的分散液混合，經冷凝回流后冷卻至室溫，靜置分層，取下層物質洗滌、干燥后得到所述的氮硫共摻雜石墨烯；

所述的中藥材中含有氮和硫元素。

中藥材成分中均含有氨基（–NH₂）、羥基（–OH）等還原性基團，利用這些還原性基團，可將氧化石墨中的羰基（–C=O）、羧基（–COOH）等氧化性基團除去，從而將氧化石墨還原成石墨烯。而且，本發明中采用的中藥材為含有氮、硫元素的中藥材，因此，制備得到的石墨烯中共摻雜有氮和硫元素。

作為優選，所述中藥材為菊花茶、枸杞或陳皮，優選的幾種為生活中比較常見的中藥材，價格低廉、來源廣泛。

所述中藥材可以為粉體，也可以為非粉體，如果為非粉體，使用前需要進行粉碎處理。

作為優選，步驟1）所述的氧化石墨由Hummer法制備得到，制備方法參照文獻：W.S.Hummers?and?R.E.Offeman,J.Am.Chem.Soc.,1958,80,1339。所述分散液的濃度為0.1～0.5g/L。