[發明專利]一種氮摻雜石墨烯的制備方法

有效

• 申請號: 201811004564.7
• 申請日: 2018-08-30
• 公開（公告）號: CN108821266B
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發明（設計）人: 蔡可迎;周穎梅;王鵬;宋明;楊華美;王曉輝
• 申請（專利權）人: 徐州工程學院
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;B01J27/24;C07C213/02;C07C215/76
• 代理公司: 32205 北京淮海知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 李妮

一種氮摻雜石墨烯的制備方法，將計量后的石灰氮、碳源和去離子水分別加入燒杯中，控制水浴溫度為60～80℃，攪拌，調節反應物料pH為9～12，反應3～5h后將反應物料均勻攤開到搪瓷盤中，干燥后將物料研磨均勻得到固體粉末；將固體粉末轉移到瓷舟內，將其置于管式爐中進行熱解，爐內通氮氣保護，管式爐以1～3℃/min升溫至540～580℃，保溫2～3h，再以3～8℃/min升溫至750～950℃，保溫1～2h，隨后自然冷卻到室溫，用稀鹽酸浸泡產物，用水多次洗滌至中性，干燥后得到氮摻雜石墨烯。該方法以廉價的石灰氮為原材料，且制備過程中無需使用金屬催化劑，可降低生產成本和簡化生產工藝。

技術領域

本發明屬于碳材料的制備及應用技術領域，具體涉及一種氮摻雜石墨烯的制備方法。

背景技術

石墨烯是由碳六元環組成的二維周期蜂窩狀點陣結構，具有高導電性、高熱導性和高機械強度等優點，其復合材料也表現出優異的性能。然而，由于石墨烯沒有能帶隙，其導電性能不能像傳統的半導體一樣完全被控制，而且石墨烯表面光滑、呈惰性，與其他介質的相互作用較弱，另外，石墨烯片之間有較強的作用力，容易聚集，導致石墨烯不易與其他材料的復合，從而阻礙了其應用。目前主要通過向石墨烯中摻雜氮元素來改變石墨烯的電子結構和增加石墨烯表面吸附的金屬粒子活性位，從而提高石墨烯的導電性和穩定性，增強石墨烯與金屬粒子的相互作用，進而擴大其應用范圍。

目前常用的制備氮摻雜石墨烯的方法主要有：(1)化學氣相沉積法(CVD)，該法是使氣態前驅體在基體上反應，形成薄膜。Cui P,Choi J-H等以五氯吡啶為前驅體，在銅表面制備氮摻雜石墨烯(Cui P,Choi J-H,Zeng C,Li Z,Wang J,Zhang Z.J.Am.Chem.Soc.,2017,139:7196-7202.)，該方法需要用到金屬催化劑，分離金屬催化劑和氮摻雜石墨烯比較困難，工藝較復雜；(2)氧化石墨烯摻氮法，該法是以氧化石墨烯為原料，以含氮物質為氮源，在高溫或水熱條件下摻氮。Tang P,GaoY J等以氧化石墨烯為原料，以乙腈或氨水為氮源，在高溫下進行摻氮，得到氮摻雜氧化石墨烯(Tang P,Gao Y J,Yang J H,Li W J,ZhaoH Z,Ma D.Chin.J.Catal.,2014,35(6):922～928.)；公開號為CN104465113的專利公開了水熱法制備氮摻雜石墨烯的方法，該法是以氧化石墨烯為原料，與尿素和硫酸混合后，在180℃水熱反應2h，得到氮摻雜石墨烯。由于氧化石墨烯不易獲得，成本較高，該法受到限制；(3)含氮前驅體轉換法，該法是將含氮物質與過渡金屬化合物催化劑(如鐵鹽、鈷鹽、鎳鹽)混合后，在高溫下反應，除去金屬化合物后得到氮摻雜石墨烯。Wang C,Kang J等將葡萄糖、氯化鐵和尿素溶解在水中，80℃干燥24h后，在700℃進行熱解，用鹽酸除去鐵得到氮摻雜石墨烯(Wang C,Kang J,Sun H,Ang H M,Tade M O,Wang S.Carbon,2016,102:279～287.)，該法中使用的金屬催化劑會生成金屬碳化物，難以徹底除去，影響后期使用。由于上述方法存在諸多問題，因此，尋求一種工藝簡單、原料易得、成本較低、無需使用金屬催化劑的制備方法具有十分重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種氮摻雜石墨烯的制備方法，該方法無需使用金屬催化劑，從而省去分離金屬催化劑和氮摻雜石墨烯這一困難的步驟，而且可在制造過程中避免生成金屬碳化物，簡化工藝；另外，本發明以廉價的石灰氮為原材料，可降低生產成本。

為實現上述目的，一種氮摻雜石墨烯的制備方法，包括以下步驟：

(1)將計量后的石灰氮、碳源和去離子水分別加入燒杯中，邊攪拌邊水浴加熱得到反應物料，控制水浴溫度為60～80℃，并向燒杯中通入二氧化碳氣體至反應物料的pH為9～12，反應3～5h后將反應物料均勻攤開到搪瓷盤中，然后將搪瓷盤放置于45～55℃的鼓風干燥箱內干燥3.5～4.5h，最后將搪瓷盤內干燥后的物料轉移至研缽中研磨均勻，得到固體粉末；所述石灰氮、碳源、去離子水之間的質量比為(1～4)：1：(2～20)；