[發明專利]一種氮摻雜石墨烯的制備方法及其制備的氮摻雜石墨烯

在審

• 申請號: 202110640735.0
• 申請日: 2021-06-09
• 公開（公告）號: CN113353922A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 關士友;王秀蓮;李雙;彭燕
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C22F1/08;C21D9/46;C22F1/02
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發明公開了一種氮摻雜石墨烯的制備方法和使用該方法制備的氮摻雜石墨烯，首次以離子液體為前驅體，將其旋涂于退火后的銅箔上，在Ar/H₂氣氛下高溫熱分解制備氮摻雜石墨烯。使用該方法制備的氮摻雜石墨烯缺陷少、層數少、氮含量高。此外，氮含量和氮摻雜種類可以通過使用不同的離子液體進行調節。本發明制備方法簡便，工藝設備簡單，產品性能穩定可控，原料易得，反應周期短，可重復性高。

技術領域

本發明涉及石墨烯技術領域，具體地說，本發明涉及一種氮摻雜石墨烯的制備方法和使用該方法制備的氮摻雜石墨烯。

背景技術

氮原子摻雜石墨烯(NG)具有以下的優點：

1.氮原子具有比其它無機非金屬原子更接近于碳原子的大小，故與石墨烯之間的相容性好，易于摻雜進入石墨烯的晶格當中，這意味著NG具有較高的穩定性和耐久性。

2.N摻雜能夠改變了自旋密度和相鄰C原子的電荷分布，引入活性位點。

3.NG可以使費米能級移動，遠離狄克拉點，打開石墨烯的帶隙。

以上特性使得NG在觸摸屏、催化領域和硅谷電子設備等諸多新能源、新材料領域具有廣闊的應用前景。因此NG的制備及其性質研究已成為近年來納米科學研究中的熱點。

NG的制備方法歸納起來，主要有化學氣相沉積法(CVD)、溶劑熱法、電弧放電法和等離子體處理法等。

化學氣相沉積法是在高溫下引入含有碳前驅體和氮前驅體的混合氣體，碳和氮前驅體分解并重新組合，沉積到過渡金屬基板上從而制得NG(Wei et al.Nano Letters.,5,9,(2009))。該方法可以制得尺寸較大的石墨烯材料，但是，制造成本過高，且所得的NG產品層數難以控制，進而限制了產品的應用。

溶劑熱法是目前大量制備NG的主要方法。溶劑熱方法是在氮源與碳源共存的溶液中進行溶劑熱處理來制備NG。該法雖然能大量制備NG(Deng et al.Chem.Mater.,23,5,(2011))但是，溶劑熱法需要涉及大量的有機溶劑作為反應介質，對環境危害較大，并對實驗和生產人員會產生一定的毒害作用。

電弧放電法制備NG的原理是在氫氣和氮源氣氛中，通過碳電極間電弧放電來產出NG(Li etal.Journal oftheAmerican Chemical Society,131,43(2009))，該方法得到的N含量較低；

等離子體處理法是將碳源材料放置在高能態的氮源等離子氣體流中，利用氮氣、氨氣等含氮物質的等離子體轟擊石墨烯或其衍生物，這會使得石墨烯晶格中出現空位，讓氮可以嵌入到石墨烯晶格當中，最終形成NG。該方法不僅對設備要求高、實驗條件苛刻，不適宜NG的大規模制備。而且NG中的N含量受制于石墨烯缺陷的數量，不能自由調節。

綜上所述，目前制備NG的技術還不能滿足制備方法簡單、結構可控、產品性能穩定等基本要求，這就極大的限制了NG在更大范圍、更廣闊領域的應用。

發明內容

為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種氮摻雜石墨烯的制備方法及其制備的氮摻雜石墨烯，本發明制備方法簡便，工藝設備簡單，產品性能穩定可控，原料易得，反應周期短，可重復性高。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種氮摻雜石墨烯的制備方法，以離子液體為前驅體，在Ar/H₂氣氛下將離子液體旋涂于退火后的銅箔上，高溫熱分解制備氮摻雜石墨烯。

優選地，氮摻雜石墨烯的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：銅箔的清洗和退火：

使用清洗溶液對銅箔進行清洗處理；把經過清洗后的銅箔放入到管式爐中，在H₂和Ar氣流中，經過退火處理后，將銅箔基底降溫到室內溫度；

步驟二：在銅箔上生長氮摻雜石墨烯膜層：

在退火后的銅箔表面旋涂離子液體；把銅箔放置于管式爐中，在H₂和Ar氣流中，升高溫度，經過一段生長時間后，將所得產物降溫到室內溫度，得到生長在銅箔上的氮摻雜石墨烯。