[發明專利]用限域微反應器制備過渡金屬和氮共摻雜的二維石墨烯

有效

• 申請號: 201611236547.7
• 申請日: 2016-12-28
• 公開（公告）號: CN106582766B
• 公開（公告）日: 2019-03-05
• 發明（設計）人: 李忠芳;王素文;盧雪偉
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;H01M4/90;C25B1/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.用限域微反應器制備過渡金屬和氮共摻雜的二維石墨烯的方法，其特征在于：用陽離子表面活性劑修飾的蒙脫土的疏水層狀材料為模板，用可溶性的全芳香性的聚苯并咪唑(PBI)與過渡金屬離子形成配合物為原料，用真空輔助的方法，把PBI與過渡金屬的配合物溶液填充到層狀模板劑夾層內，通過調控疏水性和真空輔助使其分子規則排列；用陽離子表面活性劑的長鏈烷基來調控層狀材料的疏水性強弱和層間距，通過調控層間距在垂直方向限制配合物的加入量和配合物在層內的排列方式；惰性氣體保護下，熱解，制備過渡金屬和氮共摻雜的二維石墨烯。

2.根據權利要求1所述的用限域微反應器制備過渡金屬和氮共摻雜的二維石墨烯的方法，其模板劑為用陽離子表面活性劑改性的蒙脫土，其特征在于：陽離子表面活性劑選用季銨型和鎓鹽型離子表面活性劑：選用C₁₀～C₁₈烷基三甲基溴化銨；C₈～C₁₆烷基二甲基芐基溴化銨，C₈～C₁₆烷基溴化吡啶鎓鹽中的一種；陽離子表面活性劑的烷基長鏈的長短可以調控改性蒙脫土的疏水性能和疏水夾層的層間距；其夾層的層間距在0.2～0.6nm；疏水性的夾層有利于疏水性高分子PBI過渡金屬配合物分子的填入。

3.根據權利要求1所述的用限域微反應器制備過渡金屬和氮共摻雜的二維石墨烯的方法，其特征在于：PBI分子為全芳香性的整個高分子鏈形成一個大π鍵，分子由芳香性的剛性苯并咪唑組成，且分子中含有富含氮元素的咪唑環和端氨基；全芳香型的PBI：選用，聚(2,5-苯并咪唑)(ABPBI)、聚[2,2’-(間苯基)-5,5’-聯苯并咪唑](mPBI)、吡啶基團的聚苯并咪唑(PPBI)或帶有吡嗪基團的聚苯并咪唑(PzPBI)中的任意一種，其結構式分別為：

其中

PPBI的結構式

其中

PzPBI的結構式

聚合物粘均分子量在1～3萬之間，溶解在二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亞砜(DMSO)和N-甲基吡咯烷酮中的任意一種有機溶劑中。

4.根據權利要求1所述的用限域微反應器制備過渡金屬和氮共摻雜的二維石墨烯的方法，其PBI與過渡金屬配合物，其特征在于：過渡金屬鹽溶解或分散在強極性有機溶劑中的醋酸鹽、硝酸鹽、鹽酸鹽、檸檬酸鹽或葡萄糖酸鹽中的一種；過渡金屬離子選用鐵和鈷離子；PBI與過渡金屬鹽的質量比為2:1～1:2；用鐵鹽或鈷鹽中的一種，或用鐵鹽與鈷鹽按照一定比例混合的混合鹽；具體操作方法為，將PBI溶液與過渡金屬鹽溶液混合，加熱，攪拌反應4～6h，得到PBI與過渡金屬離子形成的配合物。

5.根據權利要求1所述的用限域微反應器制備過渡金屬和氮共摻雜的二維石墨烯的方法，其PBI過渡金屬配合物與模板劑改性蒙脫土的質量比為2:1～1:3；混合方式為：稱取一定量的模板劑改性蒙脫土在高溫爐內120～220℃加熱2h，以除去多層材料夾層中吸附水、氣體或雜質，冷卻，轉移到連有真空泵的壓力容器內，抽真空30～40min，用注射器向壓力容器內注射一定量的PBI過渡金屬配合物的溶液，使溶液浸泡模板劑，加熱，繼續抽真空，待容器內無液體后，繼續上述操作直至溶液被用完，抽干，真空干燥箱內60～120℃陳化，烘干，冷卻，研細，放入瓷舟，在高溫爐內氬氣保護下熱解2～3h，冷卻后，用氫氟酸洗去模板劑，用去離子水洗去酸，在真空干燥箱內80～120℃下干燥，即得到黑色的二維氮摻雜石墨烯產品。

6.根據權利要求1所述的用限域微反應器制備過渡金屬和氮共摻雜的二維石墨烯的方法，其熱解溫度為700～1000℃。

7.根據權利要求1所述的用限域微反應器制備過渡金屬和氮共摻雜的二維石墨烯的方法，其過渡金屬和氮共摻雜的二維石墨烯，應用于催化氧還原反應的催化劑，用在金屬空氣電池、燃料電池；用于催化電解水氧析出反應的催化劑；用于超級電容器的電極材料。