[發明專利]氮摻雜石墨烯及其制備方法以及應用

有效

• 申請號: 202110362692.4
• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN113086974B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 王城;宋明;夏維東;楊成鵬
• 申請（專利權）人: 合肥碳藝科技有限公司
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;B01J21/18;B01J27/24
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙) 34115
• 代理人: 張夢媚

本發明公開了一種氮摻雜石墨烯及其制備方法以及應用，該氮摻雜石墨烯的制備方法通過將氮源引導至旋轉電弧區域的中心部，將碳源引導至旋轉電弧區域的邊緣部，制得了摻雜水平高、品質好的氮摻雜石墨烯產品，且該制備方法工藝簡單，易于實現產業化。

技術領域

本發明屬于碳材料制備技術領域，具體涉及一種氮摻雜石墨烯的制備方法，還涉及一種采用該制備方法制得的氮摻雜石墨烯，以及氮摻雜石墨烯的應用。

背景技術

石墨烯(Graphene)是一種以sp²雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的碳材料，其具有優異的物理、化學、電學和光學性能。隨著石墨烯性能的研究，通常采用對石墨烯摻雜的方式簡單有效的改變石墨烯的性質，以拓寬石墨烯的應用范圍。

其中，由于氮原子的原子尺寸和碳原子相近，其與石墨烯有著更好的相容性，因此，氮原子容易摻雜進入石墨烯的晶格中且引起的石墨烯晶格畸變較小，并且由于氮原子含有五個價電子，可形成強共價鍵，因此可獲得穩定的氮摻雜石墨烯材料；此外，氮元素的摻雜會產生N-C鍵，其中毗鄰N原子的C原子將帶有更多的正電荷，從而可有效的增強石墨烯材料的電負性，而這種電負性的增強可以為氧化還原反應創造更好的催化條件。

目前，化學摻雜是制備氮摻雜石墨烯的一種主要手段，其可以從結構內部完成對石墨烯材料的功能化改性處理，實現石墨烯電子結構及性質的調控。而目前化學摻雜制備氮摻雜石墨烯主要通過兩種途徑獲得，分別是原位合成法和后處理法，其中，后處理法包括熱處理、等離子體處理等，但由于方法的限制，后處理法往往只能獲得較低水平的表面摻雜，并且伴隨著大量的缺陷。相比于后處理法，原位合成法可以使得產物中的N原子分布更加均勻，獲得的缺陷更少，比如葡萄牙里斯本大學(Microwave plasma-based directsynthesis of free-standing N-graphene.Phys Chem Chem Phys 22,4772-4787.)報道了利用微波等離子體原位氣相合成氮摻雜石墨烯的方法，實現了低缺陷濃度氮摻雜石墨烯的連續合成。加拿大麥吉爾大學(Carbon Nano-Flakes Produced by an InductivelyCoupled Thermal Plasma System for Catalyst Applications.Plasma Chem Plasma P31,393-403)使用射頻等離子體原位氣相合成了氮摻雜石墨烯。但這些現有的原位氣相合成方法無法實現高摻雜濃度、高質量的氮摻雜石墨烯且無法實現大規模量產，限制了其產業化進程。

磁旋轉電弧是一種常見的非轉移電弧，電弧在軸向磁場的驅動下繞陰極快速旋轉。現有的研究表明：旋轉電弧可以增大電弧等離子體的體積，從而提高電弧等離子體與原料氣的混合程度，減小電極燒蝕，并廣泛應用于石墨烯等碳材料的制備。目前已有方案利用磁旋轉電弧實現了石墨烯的連續可控制備，但尚無利用磁旋轉電弧制備高品質氮摻雜石墨烯的先例，而現有的用于石墨烯制備的磁旋轉電弧方案無法獲得高品質氮摻雜石墨烯，其制備得到的產品晶型較差、層數多。

發明內容

有鑒于此，本發明有必要提供一種氮摻雜石墨烯及其制備方法，該制備方法將氮源引導至旋轉電弧區域的中心部，將碳源引導至旋轉電弧區域的邊緣部，氮源在中心部被活化成含氮活性分子，流經邊緣部的碳源迅速裂解，與含氮活性分子反應，從而生成氮摻雜石墨烯，制備方法設備簡單、能耗低且無需添加任何催化劑，獲得的氮摻雜石墨烯品質高，摻雜水平高度可調，適用于產業化應用。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

本發明提供了一種氮摻雜石墨烯的制備方法，包括以下步驟：

形成旋轉電弧區域，所述旋轉電弧區域包括中心部和邊緣部；

引導氮源至所述中心部，引導碳源至所述邊緣部，在電弧引發下反應獲得氮摻雜石墨烯。