[发明专利]一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯材料是一种具有二维蜂窝状结构的单原子层材料，其是构成富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元。自2004年英国曼彻斯特大学安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)制备出单层石墨烯以来(Science 2004,306,666-669)，受到了科学界和工业界的广泛关注。石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能。(Science.,2009,324,1530-1534；Nature.,2005，438，201-204.)

通过元素掺杂可以改变石墨烯的结构和性能，使其实现更丰富的化学功能和应用。例如在石墨烯中引入氮原子，氮原子的孤对电子可以和sp2杂化碳原子发生离域共轭作用，可以极大程度的提高石墨烯的反应性和电催化性能。掺杂的石墨烯与普通石墨烯表现出不同的结构和性质(Angew.Chem.,Int.Ed.2009,48,4386–4389；Science 2009,324,768-771)，在微电子、催化、复合材料、锂电池、超级电容器、储氢等方面有广阔的应用前景。目前为止，合成氮掺杂石墨烯的主要有两种方法：后掺杂法和原位掺杂法。后掺杂法是先制备出石墨烯或氧化石墨烯，利用含氮的化合物对其进行处理(如高温加热，水热等)，得到氮掺杂的石墨烯。如：化学气相沉积法、电弧放电法、热分解法等。原位掺杂法是在制备石墨烯的过程中进行掺杂，如化学气相沉积法，等离子体辅助气相沉积等。相对于后掺杂法，原位掺杂法所制备的氮掺杂石墨烯掺杂更均匀、氮原子掺杂状态更可控、氮原子含量相对可控，是一种较好的掺杂方法。如Pan等利用尿素和蔗糖通过加热的方法制备了氮掺杂的石墨烯(ACS Appl.Mater.Interfaces 2013,5,11108-11114)。氮化碳是一种含氮量非常高的层状半导体材料，在生物、光催化、电催化和光电等领域有广泛的应用。氮化碳因其高的含氮量，被作为氮源对石墨烯进行掺杂。最近，Li等人(Angew.Chem.Int.Ed.2012,51,9689-9692)利用氮化碳(g-C₃N₄，空间群：R3m，带隙为2.64eV)为模板，利用葡萄糖为碳源制备了氮掺杂石墨烯，但是这种方法需要借助外加碳源即：葡萄糖。由于葡萄糖里含有丰富的含氧官能团，因此蔗糖的加入会不可避免的引入氧，会进一步影响所制备氮掺杂石墨烯在微电子、催化等方面的性质。氮掺杂石墨烯中，氮元素的含量和种类对其在微电子、催化、复合材料等领域的应用有较大影响。不同掺杂方法制备的氮掺杂石墨烯中氮元素的含量和种类有较大差别。目前，尚未有有效的方法对氮掺杂石墨烯中氮元素的含量和种类进行调控。因此，急需一种简易可行的方法制备氮元素含量和种类可控的，高纯氮掺杂石墨烯，用于高性能、高稳定性电子器件、催化和能源等领域。

发明内容

本发明的目的是要解决目前氮掺杂石墨烯制备工艺复杂，制备成本较高，难以工业化以及制备的氮掺杂石墨烯中氮元素含量和种类可控的问题，提供一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法。

本发明一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法，按以下步骤进行：

一、将1～500g氮化碳置于一端密封的石英管中，其中所述的石英管的内径φ＝5～100mm，长＝20cm，开口端放置圆柱形石英堵头，石英堵头的外径φ＝4～99mm，长＝5cm，石英管内径和石英堵头外径相差为1mm；

二、将装有氮化碳的石英管置于管式炉中，然后将管式炉内真空抽至8×10^-4～9×10^-4Pa，然后向管式炉中通入流量为50～90sccm保护气体；

三、将步骤二处理后的管式炉以1～5℃/min的速率加热至740～750℃，然后保温5～120min，得到氮掺杂石墨烯；

四、将步骤三处理后的管式炉以5～20℃/min的速率加热至800～1000℃，然后保温30～120min，得到氮含量和种类可调的石墨烯，即完成。

本发明包括以下有益效果：

1、本发明所制备石墨烯具有大的比表面积，氮掺杂均匀；可以应用于催化、锂电池、微电子等领域。本发明所制备的氮掺杂石墨烯应用于催化氧还原反应时，其催化活性与商业铂碳相当，但是比商业铂碳催化剂有更好的催化稳定性。

2、本发明只使用一种含氮化合物，无其它任何化学试剂参与反应，是一种环境友好的制备高纯度氮掺杂石墨烯的方法。