[發(fā)明專利]一種摻雜類石墨烯結(jié)構(gòu)的納米碳材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410246749.4
• 申請(qǐng)日: 2014-06-05
• 公開（公告）號(hào): CN104085874B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱潤(rùn)良;陳情澤;賴潘民旺;朱建喜;陶奇;何宏平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所
• 主分類號(hào): C01B32/15
• 分類號(hào): C01B32/15;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州嘉權(quán)專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司44205
• 代理人: 鄭瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種摻雜類石墨烯結(jié)構(gòu)的納米碳材料的制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯是由sp²雜化碳原子在二維方向上緊密排列而成，具有蜂巢狀晶體結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性能。由于石墨烯是一種能帶間隙為零的半導(dǎo)體，這在很大程度上限制了它的應(yīng)用。通過(guò)化學(xué)摻雜引入異質(zhì)原子（N、B、S等）進(jìn)入石墨烯的sp²雜化結(jié)構(gòu)能有效打開石墨烯帶隙，提高其化學(xué)反應(yīng)活性，拓寬其物理和化學(xué)性質(zhì)。

氮摻雜是當(dāng)今石墨烯及類石墨烯結(jié)構(gòu)碳材料化學(xué)改性的一個(gè)研究熱點(diǎn)，由于N原子與C原子具有相似的原子半徑，多種方法能將N原子引入石墨烯結(jié)構(gòu)中，其中化學(xué)氣相沉積（CVD）法應(yīng)用最為廣泛。但是，CVD法需要高溫高壓條件，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求高，而且一般需要金屬催化劑，實(shí)驗(yàn)成本高。另外，用其它半徑較大的原子摻雜碳材料也正成為材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)熱門主題。理論研究表明，硫摻雜石墨烯表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能和吸附性能，能被用于制備納米電子器件和環(huán)境有毒氣體（NO₂、NO）的有效探測(cè)器，并且這些性能能通過(guò)與氮原子共摻雜作用（協(xié)同效應(yīng)）進(jìn)一步加強(qiáng)。由于硫原子半徑比碳原子大很多，且二者電負(fù)性相差小，不能形成明顯的電荷遷移，相比于氮摻雜，將硫原子引入石墨烯結(jié)構(gòu)中并不容易。目前，關(guān)于硫摻雜石墨烯的研究還處于起步階段。本發(fā)明利用粘土礦物特殊的層板結(jié)構(gòu)、以吸附進(jìn)入層間的染料作為碳源和摻雜源，通過(guò)簡(jiǎn)單熱處理一步制備摻雜型類石墨烯結(jié)構(gòu)的納米碳材料，為合成系列異質(zhì)原子摻雜類石墨烯提供新的方法，從而有助于推動(dòng)摻雜類石墨烯碳材料在納米電子器件、傳感器、儲(chǔ)能設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種摻雜類石墨烯結(jié)構(gòu)的納米碳材料的制備方法。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種摻雜類石墨烯結(jié)構(gòu)的納米碳材料的制備方法，包括步驟：

1）將蒙脫石置于含有染料的溶液中進(jìn)行充分吸附處理；

2）將吸附了染料的蒙脫石依次進(jìn)行干燥、粉碎、碳化、酸化洗滌、干燥即可得到產(chǎn)物。

所述的染料為含有氮原子和/或硫原子的陽(yáng)離子型染料。

所述的蒙脫石和溶液中的染料的質(zhì)量比為2:(0.1-2)。

所述的碳化條件為：在保護(hù)氣體中進(jìn)行碳化，碳化溫度為500～900℃，碳化時(shí)間為2～5h。

所述的保護(hù)氣體為氮?dú)?、稀有氣體中的至少一種。

所述的酸化洗滌為氫氟酸、鹽酸對(duì)碳化后的產(chǎn)品進(jìn)行的交替洗滌。

所述的氫氟酸的體積濃度為10～20%。

所述的鹽酸的體積濃度為6～15%。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明以蒙脫石為模板、染料同時(shí)作為碳源和摻雜源，通過(guò)簡(jiǎn)單的方法一步制備得到一種摻雜的類石墨烯納米碳材料，為合成系列異質(zhì)原子摻雜類石墨烯提供新的方法，從而有助于推動(dòng)摻雜類石墨烯碳材料在納米電子器件、傳感器、儲(chǔ)能設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例1產(chǎn)物的N?1s高分辨XPS光譜圖。

圖2是實(shí)施例2產(chǎn)物的XRD光譜圖。

圖3是實(shí)施例2產(chǎn)物的N?1s高分辨XPS光譜圖。

圖4是實(shí)施例2產(chǎn)物的S?2p高分辨XPS光譜圖。

具體實(shí)施方式

一種摻雜類石墨烯結(jié)構(gòu)的納米碳材料的制備方法，包括步驟：

1）將蒙脫石置于含有染料的溶液中進(jìn)行充分吸附處理；

2）將吸附了染料的蒙脫石依次進(jìn)行干燥、粉碎、碳化、酸化洗滌、干燥即可得到產(chǎn)物。

步驟1）中，優(yōu)選的，所述的染料為含有氮原子和/或硫原子的陽(yáng)離子型染料；

含有染料的溶液中，染料的濃度為50-800mg/L；所述的蒙脫石和溶液中的染料的質(zhì)量比為2:(0.1-2)。

步驟2）中，所述的碳化條件為：在保護(hù)氣體中進(jìn)行碳化，碳化溫度為500～900℃，碳化時(shí)間為2～5h；

所述的保護(hù)氣體為氮?dú)狻⑾∮袣怏w中的至少一種；優(yōu)選的，所述的保護(hù)氣體為氮?dú)?、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣中的至少一種；進(jìn)一步優(yōu)選的，為氮?dú)?、氬氣、氦氣中的至少一種；

所述的酸化洗滌為氫氟酸、鹽酸對(duì)碳化后的產(chǎn)品進(jìn)行的交替洗滌；所述的氫氟酸的體積濃度為10～20%；所述的鹽酸的體積濃度為6～15%；優(yōu)選的，交替洗滌的總次數(shù)為3～8次。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明：

實(shí)施例1：