[发明专利]氮掺杂石墨烯的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，尤其涉及氮掺杂石墨烯的制备方法及其应用。

背景技术

石墨烯由碳六元环组成，具有二维周期蜂窝状点阵结构，这种独特的二维结构，使其具有极高的强度、良好的导电性和极好的透光性等各种优异的物理化学特性，因此石墨烯在场发射晶体管、超级电容器、锂离子电池等领域具有重要的应用价值。

掺杂是调整半导体材料电子性能的一种常用方法，研究表明，石墨烯经掺杂后能带结构发生调整，从而使石墨烯的应用范围有极大的扩展，并且性能也相应的提高。例如：将掺杂后的石墨烯作为超级电容器的电极材料，不仅导电性有所提高，杂原子的掺入也可以产生赝电容，进一步提高电容器的比容量。因此石墨烯的掺杂已经成为物理学、化学和材料学众多学科研究者关注的热点。

2009年，刘云圻课题组首次报道了氮掺杂石墨烯的制备方法。作者采用化学气相沉积法，以氨气作为氮源，甲烷作为碳源，在800℃下保温10min，制备了少数几层氮掺杂石墨烯。目前，现有的掺杂石墨烯主要是氮掺杂，例如，以氧化石墨烯为原料，以氨气为氮源，进行高温退火制得氮掺杂石墨烯，此方法制备氮掺杂石墨烯需要较高的温度，使氮掺杂石墨烯的推广带来了局限性。

由于现有技术氮掺杂石墨烯的制备方法，需要较高的加热温度，其制备条件苛刻，使氮掺杂石墨烯的制备受到了很大的限制。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种氮掺杂石墨烯的制备方法，该方法条件温和，且成本较低。

有鉴于此，本发明提供了一种氮掺杂石墨烯的制备方法，包括：

将碳材料与含有活性氮元素的化合物置于密闭容器中，加热至100~300℃，反应后得到氮掺杂石墨烯，所述含有活性氮元素的化合物为气体和/或固体，所述碳材料为石墨烯或氧化石墨烯。

优选的，所述氧化石墨烯的制备方法为：

将浓度为1mg/ml~15mg/ml的氧化石墨烯胶体超声0.5~2h，冷冻干燥，得到氧化石墨烯。

优选的，所述密闭容器中还包括活化剂。

优选的，所述活化剂为水蒸气、二氧化碳、氯化锌、氢氧化钾或磷酸。

优选的，所述碳材料与所述活化剂的质量比为0.1:1~10:1。

优选的，所述含有活性氮元素的化合物为一氧化氮、二氧化氮、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、尿素、三聚氰胺和硝酸银的一种或几种。

优选的，所述密闭容器中充满保护性气体。

优选的，所述反应的时间为0.5~30h。

优选的，所述石墨烯或氧化石墨烯与所述含有活性氮元素的化合物的质量比为0.1:1~50:1。

上述方案所述的氮掺杂石墨烯在制备超级电容器的电极材料中的应用。

本发明提供了一种氮掺杂石墨烯的制备方法，具体为：将碳材料与含有活性氮元素的化合物置于密闭容器中，加热至100~300℃，反应后得到氮掺杂石墨烯。在制备氮掺杂石墨烯的过程中，在加热条件下，将含有活性氮元素的化合物中的氮元素掺杂进碳材料中，从而得到氮掺杂石墨烯。本发明将含有活性氮元素的化合物在密闭的环境中与碳材料反应，增加了密闭容器的压力，有利于促进活性氮元素进行掺杂，从而使氮元素在较低的温度下就可进行掺杂。本发明采用上述方法制备氮掺杂石墨烯，避免了采用较高的反应温度，从而使制备条件温和且生产成本较低。将本发明制备的氮杂石墨烯应用于超级电容器的电极材料，实验结果表明，电流密度5A/g时，超级电容器的比容量可达190F/g；循环10000次，容量保持率为96.3%。

附图说明

图1为氮掺杂石墨烯的透射电镜图；

图2为氮掺杂石墨烯的TEM选区电子衍射图；

图3为不同反应时间下氮掺杂石墨烯的X射线光电子能谱（XPS）图；

图4为氮掺杂石墨烯中N(1s)的XPS分峰谱图；

图5为氮掺杂石墨烯电极材料在电流密度5A/g条件下的循环曲线图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种氮掺杂石墨烯的制备方法，具体步骤为：

将碳材料与含有活性氮元素的化合物置于密闭容器中，加热至100~300℃，反应后得到氮掺杂石墨烯，所述含有活性氮元素的化合物为气体和/或固体，所述碳材料为石墨烯或氧化石墨烯。