[發明專利]一種自下而上制備摻氮石墨烯/金屬復合物的方法及其產品和應用

在審

• 申請號: 201410307271.1
• 申請日: 2014-07-01
• 公開（公告）號: CN104134806A
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發明（設計）人: 梁彥瑜;來慶學;蘇齊;張校剛
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 李紀昌;唐循文

技術領域

本申請屬于石墨烯材料的制備領域，尤其涉及一種自下而上制備摻氮石墨烯/金屬復合物的方法及其產品和應用。

背景技術

石墨烯由于具有優異的物理、化學及機械性能，被廣泛應用于在化學電源、?光電子器件和多相催化等領域。基于石墨烯的金屬復合物由于其兼顧石墨烯和金屬顆粒的優異特性，因而具有很高的研究價值和應用空間。目前石墨烯/金屬復合材料的制備仍依賴于石墨烯的規模化生產的突破。目前已開發出來的石墨烯合成方法包括機械剝離法、氧化石墨還原法、化學沉積法、有機合成法、外延生長法、電化學方法以及電弧法等。然而，這些方法均存在產率低、成本高以及生產工藝復雜等缺點，嚴重阻礙了石墨烯/金屬復合材料的大規模制備及應用。因此開發一種可以實現大規模、低成本及可控的合成技術是促進石墨烯/金屬復合物廣泛應用的關鍵。

為了解決石墨烯的低成本、大規模制備難題，科研工作者們付出了很多努力，開發了不同的制備技術。從合成起始原料來說，分為自上而下法和自下而上法。自上而下法是通過對已有石墨烯納米片堆疊的材料進行剝離來制備石墨烯；自下而上法則是通過化學的方法將富碳的有機分子組裝/生長成石墨烯。就大規模制備的可能性而言，自上而下法需要經過多步操作且依賴大型儀器設備，因此很難實現高質量石墨烯及其復合物的大規模制備；相比而言，自下而上法從分子水平構筑石墨烯片層結構，只要開發一種簡單有效的組裝/生長方法，即能夠實現高質量石墨烯的大規模生產。在此基礎之上，合理引入金屬，即可實現石墨烯/金屬復合物的大規模生產。因此，從理論上來說，利用二維自犧牲模板作為結構導向劑，通過碳前驅體在其二維空間內限域聚合和碳化，同時完成氮元素的摻雜和金屬納米顆粒的復合，從而實現摻氮石墨烯/金屬復合物的大規模制備是可能的。

發明內容

解決的技術問題：

本申請針對現有摻氮石墨烯/金屬復合物合成工藝復雜、成本高昂、摻氮量和表面積不可調控等技術問題，提供一種自下而上制備摻氮石墨烯/金屬復合物的方法及其產品和應用。

技術方案：

一種自下而上制備摻氮石墨烯/金屬復合物的方法，步驟為：

第一步：按重量份數配比稱取1份碳前驅體、10-80份二維模板前驅體MA和0.1-2份金屬前驅體，在室溫下，將碳前驅體、二維模板前驅體MA和金屬前驅體在研缽中研磨10-60分鐘，使其混合成均勻的總前驅體；

第二步：將混合均勻的總前驅體置于帶蓋的陶瓷坩堝中，再放入管式爐中在氮氣保護下煅燒，制得摻氮石墨烯/金屬復合物。

作為本發明的一種優選技術方案：所述第一步中重量份數配比為1份碳前驅體、40-80份二維模板前驅體MA和0.2-2份金屬前驅體，研磨時間為30分鐘。

作為本發明的一種優選技術方案：所述碳前驅體為葡萄糖、中間相瀝青、檸檬酸或對苯二甲醛。

作為本發明的一種優選技術方案：所述二維模板前驅體MA為氰胺類有機分子。

作為本發明的一種優選技術方案：所述氰胺類有機分子為單氰胺、雙氰胺或三聚氰胺。

作為本發明的一種優選技術方案：所述金屬前驅體為有機金屬鹽、含鐵的無機金屬鹽、含鈷的無機金屬鹽或含鎳的無機金屬鹽。

作為本發明的一種優選技術方案：所述含鐵的無機金屬鹽為硫酸亞鐵、含鈷的無機金屬鹽為醋酸鈷、含鎳的無機金屬鹽為硫酸鎳，所述有機金屬鹽為酞菁鐵鹽、酞菁鈷鹽、酞菁鎳鹽、卟啉鐵鹽、卟啉鈷鹽或卟啉鎳鹽。

作為本發明的一種優選技術方案：所述第二步中的煅燒具體步驟是首先加熱至500-600℃，保溫反應3-6小時，然后進一步加熱至750-1000℃，保溫反應1-3小時。

作為本發明的一種優選技術方案：上述任意一項方法處理得到的摻氮石墨烯/金屬復合物。

作為本發明的一種優選技術方案：所述摻氮石墨烯/金屬復合物在燃料電池陰極氧還原反應催化中的應用。