[發明專利]一種氮摻雜石墨烯碳材料的制備方法和應用

有效

• 申請號: 201711305832.4
• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN108285139B
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 楊喜昆;魏清茂;譚豐;李衛;張宇振;孫培川;閔春剛
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;H01M4/96;H01M4/583;B01J20/20
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本發明公開了一種氮摻雜石墨烯碳材料的制備方法和應用，屬于新型碳材料技術領域，本發明通過自下而上的分子設計采用化學氧化聚合法在苯胺單體聚合過程中同時加入一種或幾種過渡金屬鹽以及含有鹵族元素的強氧化性酸，使分子鏈上的亞胺基團與過渡金屬鹽配位，過渡金屬元素的陽離子和鹵族元素的陰離子同時進入到苯胺聚合物鏈上，獲得鹵素改性的苯胺?金屬聚合物，再通過分段熱處理工藝路線，制備出超輕具有三維多孔管狀納米結構的氮摻雜石墨烯碳材料，本發明方法制備的氮摻雜石墨烯碳材料較輕，可作為氫氧燃料電池的陰極催化劑或鋰、鈉電池的陰極材料、或作為重金屬離子吸附劑或作為碳氣凝膠作為保溫材料，應用前景較廣。

技術領域

本發明涉及一種氮摻雜石墨烯碳材料的制備方法和應用，屬于新型碳材料技術領域。

背景技術

石墨烯是一種以sp²軌道雜化方式連接的碳單原子按正六邊形緊密排列成的蜂窩狀的二維原子晶體結構。石墨烯具有良好的物理和化學性能，在物理性能方面，具有良好的導電性、導熱性、獨特的電子傳輸性能；在化學性能方面，石墨烯具有強疏水性，化學的通用性。高比表面高的化學穩定性；在力學性能方面，石墨烯是至今發現的最強韌的材料，其楊氏模量約為1.0TPa，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。在光學性能方面，石墨烯具有高載流子遷移率、高透明度和強的吸收性能，它有很高的光學透射率。因此石墨烯材料、能源、信息等相關領域有極大的應用前景，其制備方法主要有：固相、液相和氣相法三大類；（1）固相法主要是指在固態環境下制備石墨烯碳材料的方法，主要包括微機械剝離法和超高真空石墨化的外延生長。微機械剝離方法簡單，技術含量要求較低，但是大小和厚度不等，而且光刻膠容易脫落，可控性低，制備成本昂貴，可制備質量較高的石墨烯，但需要耗費大量人力物力，不易大規模生產，而超真空石墨化的外延生長法可獲得的石墨烯有較好的均勻性，但很難將外延生長的石墨烯從SiC 表面轉移到其他基體上去。（2）液相法主要是指在液態下制備石墨烯的方法，主要包括氧化還原法、溶熱劑法和超聲分散法。氧化還原法可以分為Hummers 法、Brodie法和Staudenmaier 法。這三種方法是目前廣泛合成石墨烯的方法，其優勢是成本低廉和易實現大規模的生產，但該法的最大缺點是石墨烯中含有未被還原的含氧基團，這對石墨烯的導電性、透光性等有很大影響。溶熱劑法通常是在密閉的反應器中，將氧化石墨分散在有機溶劑中，然后加入另一種物質，將反應體系加熱到臨界溫度，在反應體系中自身產生高壓，然后經反應、攪拌、清洗、干燥等處理后生成石墨烯基復合物。超聲分散法一般是直接將純度很高（一般99.999％）的石墨直接置于清潔的水中或者有機溶劑中，然后進行超聲分散，最后進行離心、過濾和干燥等處理得到石墨烯。（3）氣相法是指在氣態下制備石墨烯，主要包括化學氣相沉積法、電弧放電法和火焰法?；瘜W氣相沉積法(CVD)提供了一種可控制備石墨烯的有效方法，該方法可規?；苽浯竺娣e、高質量的石墨烯，但是成本高、工藝復雜、無法精確控制石墨烯的層數限制了該方法在制備中的應用。電弧放電法是將石墨電極置于充滿氣體（Ar、H₂等）的反應容器中，在兩電極之間通電激發出電弧，繼而溫度升高使石墨蒸發形成石墨烯，此法為制備P型、n型摻雜石墨烯提供了一條可行途徑?；鹧娣ㄊ窃陂_放大氣中，以含碳氣體作為碳源，在燃燒器中燃燒產生熱量和碳原子，然后在金屬基體上生長形成石墨烯薄膜。Memon等在開放的大氣環境下，在 Cu和Ni基體上采用新型火焰法合成了少數層石墨烯。

近年來，石墨烯的應用研究備受越來越多關注，制備方法的不斷改進使其向大規模、低成本、高質量石墨烯的生產又邁進了一步。機械剝離法顯然不能滿足未來工業化的需求；氧化石墨還原法雖然能夠以相對較低的成本制備出大量的石墨烯，然而石墨烯的電子結構以及晶體的完整性均受到強氧化劑嚴重的破壞，使其電子性質受到影響，一定程度上限制了其在微電子器件方面的應用?；瘜W沉積法雖然可以制得大面積且性能優異的石墨烯，但現階段工藝的不成熟以及較高的成本限制了其大規模的應用。因此，批量制備低成本高性能的石墨烯材料具有重要意義。