[發明專利]一種簡單使用固體氮源直接合成摻氮石墨烯的方法

在審

• 申請號: 201510025211.5
• 申請日: 2015-01-19
• 公開（公告）號: CN104651802A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: 胡寶山;卞亞偉;方千瑞
• 申請（專利權）人: 重慶大學;浙江盛元化纖有限公司
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C01B31/04
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發明屬于碳納米材料制備技術領域，涉及一種以三聚氰胺為氮源，無需外加催化劑，在CVD過程中一步合成摻氮石墨烯，反應過程中使用儀器簡單，過程簡潔，不需要除主加熱設備以外的其他加熱設備的CVD合成石墨烯的方法。

背景技術

石墨稀作為一種獨特的sp²雜化的二維單層材料，其穩定的六邊形晶格結構賦予了石墨稀許多優異的物理和化學性質(Geim?A?K.science,2009,324,1530.)。例如其熱導性能(3000W/(m?K))10倍于銅(397W/(m?K))，楊氏模量達1.0TPa，硬度大于金剛石，是目前自然界最硬的材料。此外室溫下石墨烯還具有超高的電子遷移率(約15000cm²/(V?s))大于單晶硅，電阻率約為10^-6Ω·cm，低于銅或銀，為目前世界上電阻率最小的材料。而且單層石墨烯具有很好的光學性質，在很寬的波段內吸光率僅為2.3％。這使得它在許多高科技領域都有廣闊的應用前景，這也使得石墨烯的制備成為近期研究的熱點(李旭.材料導報,2008,22(8),48.)。

然而石墨烯也具有兩大不足之處，首先石墨烯本身沒有能帶間隙，這在很大程度上限制了石墨烯在電學器件上的應用。其次，石墨烯的表面沒有活化官能團，不利于與其他材料(如金屬粒子與有機功能小分子)的復合，這也影響了石墨烯在很多應用領域的研究和推廣。科學研究發現，在石墨烯中進行雜原子摻雜，可以在較大程度保證石墨烯優良電學性能前提下，引入能帶間隙，并提供石墨烯表面反應位點，增強石墨烯的化學活性，從而可更方便的應用于諸多電化學領域，如燃料電池(Zheng?B,et?al.Electrochemistry?Communications,2013,28,24.)，傳感器(Guo?H?L,et?al.Sensors?and?Actuators?B:Chemical,2014,193,623.)，超級電容器(蘇鵬.物理化學學報,2012,28,2745.)。

摻氮石墨烯按照C-N的鍵接方式可以分為三種，即石墨型N，吡啶型N和吡咯型N。其中影響摻氮石墨烯的電學性質的因素，主要是摻氮方式和摻氮量，而且各摻氮方式的相對比例起主導作用。例如有研究表明，石墨型N的相對含量對于摻氮石墨烯電催化性能起主導作用(Wang?Z,et?al.Journal?of?Materials?Chemistry?C,2014,2,7396.)，Wang的課題組合成的摻氮石墨烯與之前報道(Lu?Y?F,et?al.ACS?Nano,2013,7,6522.)，兩個課題組合成的摻氮石墨烯的摻氮量均為5.6％，但是Wang的摻氮類型中石墨型氮達到40％以上，最終摻氮石墨烯的電子遷移率分別為74cm²V^-1s^-1和5cm²V^-1s^-1，二者相差較多。

摻氮石墨烯的性質研究和應用有賴于它的廉價規模化制備。自從石墨烯首次被膠帶剝離法制備得到以來，關于摻氮石墨烯的制備也隨著人們對其電催化活性的關注而不斷涌現新的方法，比如：氧化石墨烯共熱法、化學氣象沉積法、水熱法、等離子處理法等。

其中氧化石墨烯共熱法，過程中需要使用濃硫酸，然后與NH₃(Zhang?L.S,et?al.Physical?Chemistry?Chemical?Physics,2010,12,12055.)或有機氮源(如三聚氰胺)(Sheng?Z.H,et?al.ACSNano,2011,5,4350.)進行共熱而制得。水熱法經常使用金屬氮鹽與有機分子反應，如Li₃N/CCl₄(Deng?D,et?al.Chemistry?of?Materials,2011,23,1188.)。等離子法使用氧化石墨烯與N₂(Shao?Y,et?al.Journal?of?Materials?Chemistry,2010,20,7491.)發生反應制得摻氮石墨烯。