[发明专利]一种自下而上制备掺氮石墨烯/金属复合物的方法及其产品和应用

说明书

技术领域

本申请属于石墨烯材料的制备领域，尤其涉及一种自下而上制备掺氮石墨烯/金属复合物的方法及其产品和应用。

背景技术

石墨烯由于具有优异的物理、化学及机械性能，被广泛应用于在化学电源、 光电子器件和多相催化等领域。基于石墨烯的金属复合物由于其兼顾石墨烯和金属颗粒的优异特性，因而具有很高的研究价值和应用空间。目前石墨烯/金属复合材料的制备仍依赖于石墨烯的规模化生产的突破。目前已开发出来的石墨烯合成方法包括机械剥离法、氧化石墨还原法、化学沉积法、有机合成法、外延生长法、电化学方法以及电弧法等。然而，这些方法均存在产率低、成本高以及生产工艺复杂等缺点，严重阻碍了石墨烯/金属复合材料的大规模制备及应用。因此开发一种可以实现大规模、低成本及可控的合成技术是促进石墨烯/金属复合物广泛应用的关键。

为了解决石墨烯的低成本、大规模制备难题，科研工作者们付出了很多努力，开发了不同的制备技术。从合成起始原料来说，分为自上而下法和自下而上法。自上而下法是通过对已有石墨烯纳米片堆叠的材料进行剥离来制备石墨烯；自下而上法则是通过化学的方法将富碳的有机分子组装/生长成石墨烯。就大规模制备的可能性而言，自上而下法需要经过多步操作且依赖大型仪器设备，因此很难实现高质量石墨烯及其复合物的大规模制备；相比而言，自下而上法从分子水平构筑石墨烯片层结构，只要开发一种简单有效的组装/生长方法，即能够实现高质量石墨烯的大规模生产。在此基础之上，合理引入金属，即可实现石墨烯/金属复合物的大规模生产。因此，从理论上来说，利用二维自牺牲模板作为结构导向剂，通过碳前驱体在其二维空间内限域聚合和碳化，同时完成氮元素的掺杂和金属纳米颗粒的复合，从而实现掺氮石墨烯/金属复合物的大规模制备是可能的。

发明内容

解决的技术问题：

本申请针对现有掺氮石墨烯/金属复合物合成工艺复杂、成本高昂、掺氮量和表面积不可调控等技术问题，提供一种自下而上制备掺氮石墨烯/金属复合物的方法及其产品和应用。

技术方案：

一种自下而上制备掺氮石墨烯/金属复合物的方法，步骤为：

第一步：按重量份数配比称取1份碳前驱体、10-80份二维模板前驱体MA和0.1-2份金属前驱体，在室温下，将碳前驱体、二维模板前驱体MA和金属前驱体在研钵中研磨10-60分钟，使其混合成均匀的总前驱体；

第二步：将混合均匀的总前驱体置于带盖的陶瓷坩埚中，再放入管式炉中在氮气保护下煅烧，制得掺氮石墨烯/金属复合物。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第一步中重量份数配比为1份碳前驱体、40-80份二维模板前驱体MA和0.2-2份金属前驱体，研磨时间为30分钟。

作为本发明的一种优选技术方案：所述碳前驱体为葡萄糖、中间相沥青、柠檬酸或对苯二甲醛。

作为本发明的一种优选技术方案：所述二维模板前驱体MA为氰胺类有机分子。

作为本发明的一种优选技术方案：所述氰胺类有机分子为单氰胺、双氰胺或三聚氰胺。

作为本发明的一种优选技术方案：所述金属前驱体为有机金属盐、含铁的无机金属盐、含钴的无机金属盐或含镍的无机金属盐。

作为本发明的一种优选技术方案：所述含铁的无机金属盐为硫酸亚铁、含钴的无机金属盐为醋酸钴、含镍的无机金属盐为硫酸镍，所述有机金属盐为酞菁铁盐、酞菁钴盐、酞菁镍盐、卟啉铁盐、卟啉钴盐或卟啉镍盐。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第二步中的煅烧具体步骤是首先加热至500-600℃，保温反应3-6小时，然后进一步加热至750-1000℃，保温反应1-3小时。

作为本发明的一种优选技术方案：上述任意一项方法处理得到的掺氮石墨烯/金属复合物。

作为本发明的一种优选技术方案：所述掺氮石墨烯/金属复合物在燃料电池阴极氧还原反应催化中的应用。