[發(fā)明專利]一種激光輻照合成多活性位氮摻雜石墨烯的制備方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201710108192.1 | 申請日： | 2017-02-27 |
| 公開（公告）號： | CN106946247B | 公開（公告）日： | 2019-02-19 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 楊靜;王學(xué)瑞;杜希文;毛晶 | 申請（專利權(quán)）人： | 天津大學(xué) |
| 主分類號： | C01B32/194 | 分類號： | C01B32/194;C01B32/198;B01J27/24 |
| 代理公司： | 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201 | 代理人： | 宋潔瑾 |
| 地址： | 300072*** | 國省代碼： | 天津;12 |
| 權(quán)利要求書： | 查看更多 | 說明書： | 查看更多 |
| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 激光 輻照 合成 活性 摻雜 石墨 制備 方法 | ||
本發(fā)明公開了一種激光輻照合成多活性位氮摻雜石墨烯的制備方法，利用納秒激光輻照溶液得到暴露更多邊緣活性位的氧化石墨烯原料，可以通過激光能量和輻照時間調(diào)控原料以暴露的邊緣活性位，在后期水熱合成氮摻雜石墨烯時可以得到更多可控的吡啶氮結(jié)構(gòu)，來提升氮摻雜石墨烯的催化活性。本發(fā)明率先提出了一種可控提升氮摻雜石墨烯中吡啶氮含量的方法，在溫和環(huán)境下的水相中實現(xiàn)了高活性氮摻雜石墨烯的合成的方法。此外，本發(fā)明所采用的合成方法工藝簡單、操作方便、易于控制，且未使用有毒反應(yīng)原料，是一種環(huán)境友好的綠色合成工藝。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種氮摻雜石墨烯的制備方法，特別是涉及一種激光輻照合成多活性位氮摻雜石墨烯的制備方法。
背景技術(shù)
當前，化石燃料所帶來的能源危機和環(huán)境問題日益嚴重，人們越來越多的關(guān)注可再生能源的開發(fā)利用。可再生能源轉(zhuǎn)換與存儲的關(guān)鍵技術(shù)包括燃料電池，可充電金屬-空氣電池、光解水等，而其核心問題是尋找高效、廉價的氧還原反應(yīng)(ORR)和氧析出反應(yīng)(OER)的催化劑，來代替價格昂貴且存量稀缺的貴金屬(Pt、Pt合金)及其氧化物(IrO2、RuO2)，這對于推動可再生能源利用技術(shù)的商業(yè)化進程具有及其重要的意義。基于地球豐富的碳材料，一種新型催化劑碳基無金屬催化劑被發(fā)現(xiàn)是一種高效，低成本，無金屬并且可替代鉑用于燃料電池中的氧還原反應(yīng)的催化劑，其中氮摻雜石墨烯已經(jīng)證明是碳基無金屬中非常有效的氧還原反應(yīng)的催化劑。
自從2009年，氮摻雜碳納米管第一次被報道具有高效的氧還原催化活性同時還具有優(yōu)于鉑碳的甲醇耐受性和穩(wěn)定性，從此之后碳基無金屬催化劑的氧還原催化活性得到廣泛的研究。隨后相繼報道了氮摻雜、硫摻雜、磷摻雜、碘摻雜石墨烯以及邊緣鹵化摻雜石墨烯在氧還原反應(yīng)中具有的高效催化活性。其中，Dai等人首先報道了氮摻雜碳納米管具有良好的催化活性以及優(yōu)于鉑碳的穩(wěn)定性和甲醇耐受性。參見：Kuanping Gong,Feng Du,Liming Dai.Science 323,760–764(2009)。隨后Yang等人和Jeon等相繼報道了硫摻雜、磷摻雜、碘摻雜石墨烯以及邊緣鹵化摻雜石墨烯在氧還原反應(yīng)中的性能。
目前，氮摻雜石墨烯是主要的研究熱點。Dai等人在2010年首先通過CVD法合成氮摻雜石墨烯，表現(xiàn)出了很好的氧還原催化活性。參見：Kuanping Gong,Feng Du,LimingDai.ACS Nano 4,1321–1326(2010)；2014年James等人通過在氧化石墨烯上生長氧化石墨烯量子點合成具更多邊緣結(jié)構(gòu)的氮摻雜石墨烯，測試得到的結(jié)果是氮摻雜石墨烯的催化活性有了明顯的提升，參見：Huilong Fei,James M.Tour.ACS Nano 10,10837–10843(2014)；zhang等人利用密度泛函理論對氮摻雜石墨烯上氧還原反應(yīng)的機理進行理論模擬，所得結(jié)果與實驗觀察一致，即在NG上ORR是一個直接的4電子途徑；2016年Guo等人通過實驗證吡啶氮是提升氧還原反應(yīng)催化活性的關(guān)鍵。參見：Guo,D.H.et al.Science 351,361–365(2016)。但是到目前為止，合成氮摻雜石墨烯的條件比較苛刻，并且并沒有人系統(tǒng)研究如何提升氮摻雜石墨烯的吡啶氮含量來提升材料的催化活性。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種激光輻照合成多活性位氮摻雜石墨烯的制備方法，克服現(xiàn)有技術(shù)中合成工藝并不能在低溫低壓下合成具有高效催化活性的氮摻雜石墨烯以及不能有效控制氮摻雜石墨烯中吡啶氮含量的問題。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一種激光輻照合成多活性位氮摻雜石墨烯的制備方法，包括以下步驟：
(1)以改進的Hummers法制備的氧化石墨烯作為原料，將氧化石墨烯和乙醇溶液以1mg:1ml～1mg：10ml比例混合，超聲破碎均勻；
(2)將步驟(1)所得的樣品10～50ml放入錐形瓶中，用納秒平行脈沖激光輻照10～50min溶液；
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