[发明专利]一种利用高能微波真空辐照实现氮掺杂石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备氮掺杂石墨烯的方法。针对三聚氰胺(C₃H₆N₆)、三聚氯氰(C₃N₃Cl₃)、缩二脲(C₂H₅N₃O₂)等高含氮化合物与氧化石墨制备形成的三明治或叠层结构薄膜，通过高能微波真空辐照处理，实现石墨烯快速高效的氮掺杂改性，属于功能新材料的合成领域。

背景技术

当碳环的堆积层数降低至10层以下时(特别是单层)，将发生性质的突变，表现出与石墨完全不同的特性，因此石墨烯(Graphene)这种新颖的二维碳原子晶体引起了科学和工程技术领域的极大关注。而10层以上的堆叠碳环结构只能称之为石墨烯微片(Graphene sheets)。石墨烯拥有的电学、力学、光学等诸多特性，使得这种新材料在纳米电子器件、传感器、太阳能电池、复合材料增强等各领域都表现出广阔的应用前景。为了进一步拓展石墨烯的性质，石墨烯的改性是非常有效的手段。其中，化学元素掺杂是调节石墨烯物理、化学性质的一种非常重要的方法。如，外来元素掺杂石墨烯可调整石墨烯的能带结构，将石墨烯从零带隙向金属半导体转变，拓宽石墨烯在电学、光学、磁学等的应用范围。理论上可用来进行掺杂的元素很多，掺杂形式也可分为吸附式掺杂和取代式掺杂。相对于原子序数较大的金属元素，硼和氮与碳原子处于元素周期表中的相邻位置，原子大小较为接近，更容易实现取代式掺杂，从而形成p-型或n-型半导体，对于石墨烯的性质调控和实践应用具有更广阔的前景。理论研究表明，氮掺杂石墨烯呈现n-型半导体性质，而且具有较高的电催化活性，具有很好的应用前价值。

但现有的制备氮掺杂石墨烯的方法(电弧放电法、化学气相沉积和水热法等)，存在着反应条件苛刻、需要使用氢气/甲烷/氨气等危险性气体，以及产量少、氮掺杂含量低等缺点，特别是难于实现氮掺杂石墨烯的规模化获取，在性质调控方面的空间也有限，不利于石墨烯在更广泛范围内的性质调控和实践应用。如，电弧放电法制备氮掺杂石墨烯必须通入氨气等腐蚀性气体，反应过程复杂，最大氮掺杂含量一般仅有1％。化学气相沉积法制备氮掺杂石墨烯，一般以甲烷等危险性气体为碳源、氨气为氮源，氢气为还原气体，虽可在硅基底表面高温下沉积形成氮掺杂石墨烯薄膜，但条件苛刻，工艺依赖性过强，产量低，且最大氮掺杂含量只能达到5％左右。水热法制备氮掺杂石墨烯反应时间长，条件不易控制，产量低，最大氮掺杂含量一般低于8％，除了不能保证得到10层以下真正意义上的石墨烯之外，还难以实现取代式的氮掺杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种的一种利用高能微波真空辐照实现氮掺杂石墨烯的制备方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种利用高能微波真空辐照实现氮掺杂石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

1)、利用Hummers法制备氧化石墨(GO)，经过抽滤、洗涤、离心处理除去硫酸根离子(SO₄^2-离子)，将氧化石墨溶液放入烘箱内烘干处理，其中烘箱的温度为35～60℃，得到氧化石墨薄膜；

2)、先称取氧化石墨薄膜，以所得氧化石墨薄膜为基准，根据氧化石墨薄膜与氮源质量比1∶1～1∶10称取氮源，氮源为三聚氰胺(C₃H₆N₆)、三聚氯氰(C₃N₃Cl₃)、缩二脲(C₂H₅N₃O₂)或其三者的混合物；将氧化石墨薄膜分散于去离子水中，将氮源分散于乙醇中，并经超声处理分别配制成氧化石墨水溶液和氮源乙醇溶液；

3)、取部分氧化石墨溶液倒入托盘中，放入烘箱中烘干，其中烘箱的温度为35～60℃；

4)、待第三步氧化石墨干燥后，将氮源的溶液倒入第三步所述托盘中，均匀的覆盖在已干燥的氧化石墨上面，放入烘箱中再次进行烘干处理，其中烘箱的温度为35～60℃；

5)、待第四步氮源薄膜干燥后，再取部分氧化石墨溶液倒入第四步所述的托盘中，均匀的覆盖在已干燥的氮源薄膜上面，放入烘箱中继续进行烘干处理，其中烘箱的温度为35～60℃；干燥结束后，得到“氧化石墨膜/氮源膜/氧化石墨膜”的三明治结构复合体；如反复重复第3～5步骤，将可得到多层堆叠的复合薄膜；