[發明專利]一種氮化鐵/氮摻雜還原氧化石墨復合體的制備方法

有效

• 申請號: 201510377211.1
• 申請日: 2015-07-01
• 公開（公告）號: CN105036095B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: 任志宇;孔令俊;劉博文;杜世超;付宏剛
• 申請（專利權）人: 黑龍江大學
• 主分類號: C01B21/06
• 分類號: C01B21/06;C01B32/184;B82Y30/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及一種氮化鐵和氮摻雜還原氧化石墨復合材料的制備方法。

背景技術

過渡金屬存在多種價態，使其在催化、電子、磁學等領域均有很好的應用前景。降低過渡金屬化合物的尺寸不僅能保持納米單元的量子特性，而且大的比表面積使其暴露出更多的活性位點而展現出更優異的物理和化學性能。例如，小尺寸的貴金屬納米粒子及其合金，如Au、Pt納米粒子具有高的催化活性已廣泛用于制備電子傳感器件；小尺寸過渡金屬化合物，如MnO₂納米粒子，具有高的贗電容而應用于電池電容器的活性材料中；小于10nm的稀土發光納米材料作為成像探針可以有效通過生物體內狹小間隙。目前，合成小尺寸納米粒子的方法有很多，如模版法、原位生長法、水熱法、電沉積法等。通過上述方法可以很容易合成小尺寸貴金屬、鐵系氧化物納米粒子，以及多元復合材料。但是由于空氣中氧氣的存在，其他非金屬原子很難與過渡金屬成鍵，而形成金屬氮化物(碳化物、硫化物)。

過渡金屬氮化物的表面性質和催化性能類似于Pt和Rh等貴金屬元素，所以人們關注于研究過渡金屬氮化物以尋找一種可替代貴金屬Pt、Rh的非貴金屬催化劑。過渡金屬氮化物通常是經過氨氣氣氛下的高溫焙燒合成的，然而經過高溫氮化生成的過渡金屬氮化物通常具有較大的尺寸，特別是具有高催化活性的氮化鐵。目前已報道的氮化鐵的尺寸大都在50nm以上，不能高效暴露出氮化鐵的活性位點。另外一方面，過渡金屬氮化物多為半導體材料，較差導電性也影響其電化學性能。

發明內容

本發明的目的是要解決現有制備的氮化鐵/氮摻雜還原氧化石墨復合體過程中存在程序復雜、成本高、產率低，且氮化鐵的尺寸大，導致材料的導電性和電化學性能較差的問題，而提供一種氮化鐵/氮摻雜還原氧化石墨復合體的制備方法。

一種氮化鐵/氮摻雜還原氧化石墨復合體的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

一、配置氧化石墨/無機鐵鹽混合液：將氧化石墨加入去離子水中，配置成濃度為3.0mg/mL～5.0mg/mL的氧化石墨/水混合液，然后在溫度為25℃和攪拌速度為100r/min～1000r/min的條件下向濃度為3.0mg/mL～5.0mg/mL的氧化石墨/水混合液中加入無機鐵鹽，攪拌混勻后得到氧化石墨/無機鐵鹽混合液；步驟一中所述的氧化石墨是采用Hummers方法制備的；步驟一中所述的氧化石墨/無機鐵鹽混合液中無機鐵鹽的濃度為1.0mmol/L～10.0mmol/L；

二、配置有機胺/醇溶液：將有機胺加入到醇中，混合均勻得到有機胺/醇溶液；

三、混合：在溫度為25℃和攪拌速度為100r/min～1000r/min的條件下以滴加速度為0.3mL/s～0.6mL/s將氧化石墨/無機鐵鹽混合液滴加到有機胺/醇溶液中，并繼續在溫度為25℃和攪拌速度為100r/min～1000r/min的條件下攪拌30min～60min，得到含有鐵離子的有機胺配合物和氧化石墨的渾濁液；步驟三中所述的氧化石墨/無機鐵鹽混合液中無機鐵鹽與有機胺/醇溶液中有機胺的摩爾比為1:(3～10)；步驟三中所述的氧化石墨/無機鐵鹽混合液中去離子水與有機胺/醇溶液中醇的體積比為(6～15):1；

四、制備鐵基團簇/還原氧化石墨烯前驅材料：將含有鐵離子的有機胺配合物和氧化石墨的渾濁液轉移至高壓反應釜中，在溫度為140～200℃下溶劑熱反應6h～15h，然后冷卻至溫度為25℃，得到反應物，將反應物進行分離，得到固體反應物，以乙醇作為洗滌劑對固體反應物進行洗滌，洗滌3～5次，得到洗滌后固體反應物，將洗滌后固體反應物置于烘箱中，在溫度為40～60℃下干燥2h～4h，得到鐵基團簇/還原氧化石墨烯前驅材料；

五、焙燒：將鐵基團簇/還原氧化石墨烯前驅材料置于管式爐中，在氨氣氣氛或氨氣/惰性氣體混合氣體氣氛下焙燒，得到氮化鐵/氮摻雜還原氧化石墨復合體。

本發明優點：

一、本發明先采用混合的方式將所有原料按照比例混均，再采用簡單的溶劑熱法制備鐵基團簇/還原氧化石墨烯前驅材料，最后在氨氣氣氛下焙燒得到超小尺寸氮化鐵/氮摻雜還原氧化石墨復合體，本發明工藝簡單，避免了繁瑣的去除模板過程，重現性好、可操作性、成本低，產率高，易于實現商業化。