[發明專利]一種氮摻雜石墨烯的制備方法及氮摻雜石墨烯

有效

• 申請號: 201410325835.4
• 申請日: 2014-07-09
• 公開（公告）號: CN104118870B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 施祖進;劉陽;楊昊
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙)11360
• 代理人: 張肖琪

技術領域

本發明涉及石墨烯的合成技術，尤其涉及一種氮摻雜石墨烯的制備方法及氮摻雜石墨烯。

背景技術

石墨烯是近年來發現的碳元素的新的同素異形體，它是由碳原子以六邊形網格形式排列而成的二維結構。僅由一層碳原子組成的單層石墨烯具有優異的電學和力學性能(Electric field effect in atomically thin carbon films,Science，2004，306，666-669；Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene,Science，2008，321，385-388)，在納電子器件、光電轉換及電池材料等領域具有廣闊的應用前景。除單層石墨烯以外，雙層及多層的石墨烯也具有獨特的物理與化學性質(Graphene,the new nanocarbon,Journal of Materials Chemistry，2009，19，2457-2469)。因此,石墨烯的合成及性質研究成為了近年來納米科學研究中的熱點。

石墨烯的合成方法大致可分為兩類。第一類方法是將含有石墨層的物質進行物理或化學處理從而得到分立的石墨層。例如，用膠帶將石墨反復撕揭使其減薄，可以獲得雙層和單層石墨烯(Electric field effect in atomically thin carbon films,Science，2004，306，666-669)；用化學方法將石墨進行插層剝離也可以獲得單層石墨烯(Functionalized single graphene sheets derived from splitting graphite oxide,Journal of Physical Chemistry B，2006，110，8535-8539)。此外，通過氧化或等離子體刻蝕使碳納米管沿軸向裂開也可以形成石墨烯(Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons,Nature，2009，458，872-875；Narrow graphene nanoribbons from carbon nanotubes,Nature，2009，458，877-880)。第二類方法是利用含碳的前驅體進行生長形成石墨烯，具體包括溶劑熱法、化學氣相沉積法和電弧法等(Gram-scale production of graphene based on solvothermal synthesis and sonication,Nature Nanotechnology，2009，4，30-33；Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes,Nature，2009，457，706-710；Simple Method of Preparing Graphene Flakes by an Arc-Discharge Method,Journal of Physical Chemistry C，2009，113，4257-4259；Low-cost and large-scale synthesis of graphene nanosheets by arc discharge in air,Nanotechnology,2010,21,175602-175604)。在以上各種方法中，電弧法具有產量大、操作簡單等優點，是一種具有大規模生產潛力的方法。

電弧法最早由Rao CNR等人用來制備石墨烯(Simple Method of Preparing Graphene Flakes by an Arc-Discharge Method,Journal of Physical Chemistry C，2009，113，4257-4259)，他們使用氫氣與氦氣的混合氣氛作為反應氣氛。使用該方法制備石墨烯需要較高的氫氣壓力和較大的放電電流，危險性較高。

發明內容

為解決上述現有技術存在的不足，本發明提供一種氮摻雜石墨烯的制備方法，該方法是以石墨棒作為電弧爐的兩極，在電弧爐內含有氮元素的反應氣氛中進行交流或直流電弧放電，在電弧放電過程中，不斷消耗石墨棒，從而在電弧爐的內壁上得到氮摻雜石墨烯。