[發明專利]一種易分散氮摻雜石墨烯粉末的制備方法

在審

• 申請號: 201510962021.6
• 申請日: 2015-12-08
• 公開（公告）號: CN105668552A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 魏志凱;瞿美臻;周固民;張煥;葛武杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院成都有機化學有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種石墨烯材料制備，尤其涉及一種氮摻雜石墨烯的制備技術及所獲得的 氮摻雜石墨烯粉末產品。

背景技術

石墨烯作為一種新型的二維材料，是由sp2雜化碳原子以蜂巢的結構形式組成的單層 碳原子層。這種獨特的結構使石墨烯具有優異的物理和化學性質，比如高的電導率和熱傳 導率，大比表面積，高透明度，化學惰性和優異的機械強度，使其在使電子器件，柔性顯 示器，太陽能電池，催化劑和儲能材料等多種領域具有極大的應用價值。對石墨烯表面進 行氮原子摻雜不僅可以使石墨烯的能帶結構發生調整，拓寬了石墨烯的應用范圍，而且可 使其性能獲得相應的提升。氮元素的摻雜會影響臨近碳原子的電子分布，從而在石墨烯表 面構成活性位點，這種活性位點可作為催化位點參與到某些反應中，比如氧還原反應，這 使得其在燃料電池和鋰空氣電池領域具有極大的應用潛力；氮元素的摻雜可在石墨烯表面 形成較多的缺陷和懸掛鍵，有利于石墨烯表面的修飾及材料的復合。另外，應用于超級電 容器器件中，這些缺陷或懸掛鍵可產生贗電容，有利于材料能量密度的提升。因此，氮摻 雜石墨烯制備和應用研究已成為當前眾多學科的研究熱點。

當前氮摻雜石墨烯的合成方法有兩類，一種是直接合成法，如CVD法，偏析生長法， 電弧等離子蒸發法等，這些方法均需要昂貴復雜的設備，生產成本高，產量低，不適合大 規模的生產。另一種是后處理法，主要是對氧化石墨烯或石墨烯進行后續的胺基化處理或 摻雜，如將石墨烯在氨氣中煅燒，或在氨氣中進行等離子處理，或使用聯氨溶液浸泡處理 等，這些方法所得氮摻雜石墨烯往往單層石墨烯團聚嚴重，造成有效比表面積較低，或還 原程度低，電導率較低，影響氮摻雜石墨烯優異性能的發揮，尤其是應用于儲能器件和電 催化領域。針對這一問題，本發明提出一種解決思路，即通過有機小分子的化學修飾反應 和后續的聚合固化反應將胺基固化于氧化石墨烯表面，可有效抑制單層氧化石墨烯在干燥 和還原過程中的所發生的團聚效應，從而可獲得膨松、易于分散的氮摻雜石墨烯粉末。

發明內容

本發明公開一種高電導率、高比表面積的易分散氮摻雜石墨烯粉末的制備技術，解決 現有氮摻雜石墨烯電導率低、易團聚的問題，制備工藝和設備簡單、成本低、易于工業化 生產，為氮摻雜石墨烯規模化制備和應用提供解決方案。

本發明提供的制備技術如下所述：

步驟1：將含胺基的有機小分子加入到氧化石墨烯溶液中并攪拌；

步驟2：將混合物升溫至40～90℃，并加入聚合反應所需助劑，保溫2～24h；

步驟3：待保溫過程結束后過濾、烘干得到膨松的氮修飾的氧化石墨烯粉末前驅體；

步驟4：將步驟3所得粉末前驅體置于惰性氣氛下升溫至500～1500℃煅燒，并保溫 1～5h，得到黑色或黑灰色的氮摻雜石墨烯粉末。

在本實施例中，步驟1中，步驟1中，所述含胺基的有機小分子為苯胺、吡咯、尿素、 縮二脲、乙二胺、氰胺、三聚氰胺、己二胺、咪唑中至少一種，優選的為吡咯、三聚氰胺 中的一種。

在本實施例中，步驟1中，步驟1中，所述含胺基的有機小分子與氧化石墨烯的質量 比為2∶1～6∶1，優選的為3∶1～4∶1。

在本實施例中，步驟1中，所述氧化石墨烯含氧量為20～60％wt，優選的為30～40％wt。

在本實施例中，步驟2中，所述聚合反應所需助劑包括過硫酸銨、過硫酸鈉、過硫酸 鉀、亞硫酸鉀、亞硫酸氫鈉、六亞甲基四胺、甲醛、乙醛、苯乙醛、呋喃甲醛、過氧化氫、 過氧化二苯甲酰、偶氮二異丁腈中至少一種，優選的為呋喃甲醛，甲醛、六亞甲基四胺中 的一種。

在本實施例中，步驟2中，所述聚合反應所需助劑與氧化石墨烯的質量比為1∶1～4∶1， 優選的為1∶1～2∶1。

在本實施例中，步驟2中，所述聚合反應保溫溫度為40～90℃，優選的為70～80℃。

在本實施例中，步驟2中，所述聚合反應保溫時間為2～24h，優選的為8～12h。

在本實施例中，步驟3中，所述烘干溫度為60～100℃，優選的為60～80℃。

在本實施例中，步驟4中，所述惰性氣氛為氮氣、氬氣、氮氫混合氣、氬氫混合氣中 至少一種。

在本實施例中，步驟4中，所述煅燒溫度為500～1500℃，優選的為800～1000℃。