[发明专利]一种氮掺杂石墨烯及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种氮掺杂石墨烯及其制备方法和应用，所述氮掺杂石墨烯中氮含量为5～50 at.%，优选10～15 at.%。本发明采用氰胺化合物为前驱体制备氮掺杂石墨烯，不仅具有石墨烯、优异的电导率，还具有超高的氮掺杂含量（可达15 at.%，甚至45.4 at.%），可以用于催化剂及催化剂载体，超级电容器电极材料及制备高效可充电电池等。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种氰胺化合物制备氮掺杂石墨烯的方法及其应用。

背景技术

石墨烯材料是当前新兴二维材料的代表，它是由碳原子以六边形网格形式排列而成的二维结构，其独特的物理化学特性引起了广泛的研究兴趣。单层石墨烯具有良好的导电性能，其载流子率在室温下可达到1.5×10⁴cm²/(V·S)。同时，其导热性极好，热导率达5000W/(m·K)。石墨烯比表面积大、导电率高、化学稳定好、这些优良性能使石墨烯及石墨烯基材料在储能，催化等领域有着广泛的应用前景。因此，石墨烯的合成及其性质研究成为近年来科学研究中的热点。

可以通过掺杂调节石墨烯费米面附件的功函数，电子掺杂(N型)包括N，O，F等，空穴掺杂(P型)包括B等。其中，氮掺杂石墨烯是最为广泛研究的。不同的氮掺杂类型决定了不同的性能。石墨氮有利于提高电催化性能，而吡咯氮和吡啶氮则能和质子结合，引入赝电容，提高超级电容器性能。

当前石墨烯的制备大致可以分为两类。第一类方法是自上而下，将石墨剥离得到石墨烯，其中包括微机械剥离法，氧化还原法等。第二类方法是自下而上，利用含碳的前驱体进行生长形成石墨烯，其中包括化学气相沉积法(CVD法)，电弧法，和基质外延生长法等。CVD法温度大多高于850℃，导致掺杂氮原子很难稳定存在。氧化还原法是适合大规模生产应用的方法。然而，氧化还原法制备得到的石墨烯，虽然具有很高的比表面积，但是由于官能团的引入，其导电性一般不好，限制了其应用。

此外，高含氮量的碳氮化合物，如C₃N₄等虽然具有超高的氮含量，却是半导体(禁带宽度～2.4eV)，可以应用于光催化，却由于其差的导电性难以用于能量存储的电极材料。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有优异的储能以及电催化性能的高氮掺杂含量的石墨烯及其制备方法和应用。

一方面，本发明提供了一种氮掺杂石墨烯，所述氮掺杂石墨烯中氮含量为5～50at.％，优选10～15at.％。

本发明中所述氮掺杂石墨烯中氮含量5～50at.％，可大于15at.％，很大程度上提高了其导电性能，从而具有优异的储能以及电催化性能。

较佳地，所述氮掺杂石墨烯的微观结构包括竹节状、纳米花状、球、棒、带、管和不规则多边形中的至少一种。

另一方面，本发明还提供了一种如上述氮掺杂石墨烯的制备方法，将氰胺化合物置于真空密闭石英管中，在第一温度600～1000℃下热处理0.5～12小时后，再经刻蚀液刻蚀、干燥，得到氮掺杂石墨烯。

本发明将氰胺的过渡金属盐(氰胺化合物)置于真空密闭石英管中加热至第一温度(600-1000℃)保温规定时间，使得氰胺前驱体(氰胺的过渡金属盐)热解得到过渡金属以及氰氨基团分解产生高氮含量的碳氮基团(C₂N₂)，在密闭空间中，这些高氮含量的碳氮基团在过渡金属催化剂的作用下重新作为生长是石墨烯的碳源和氮源，最终得到高含量的氮掺杂石墨烯和过渡金属的复合物。然后，再将所得氮掺杂石墨烯和过渡金属复合物放入刻蚀液中，去除过渡金属颗粒和过渡金属氧化物的颗粒，即得到所述氮掺杂石墨烯。

较佳地，所述氰胺化合物为氰胺镍、氢氰胺镍、氢氰胺钴、氰胺钴、氰胺铜、氰胺铁、氰胺铬、氰胺锰和氰胺锌中的至少一种，优选为氰胺镍、氢氰胺镍、氢氰胺钴、氰胺钴、氰胺铜和氰胺铁中的至少一种。