[发明专利]一种三维氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维氮掺杂石墨烯气凝胶的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层sp²杂化碳原子以紧密堆积的形式构成的新型碳质纳米材料，具有良好的电学、力学、热学和机械性能，以及极大的比表面积(理论值达2630m²g^-1)。自2004年被Novoselov和Geim等人发现以来，已广泛应用于电子学、电池、生物传感器以及超级电容器等领域。但是，石墨烯存在强的π-π键作用和范德华力，容易发生层间堆叠和不可逆团聚，导致其性能降低。多孔结构的三维石墨烯具有更大的比表面积、可提供多维电子传输通道、减小电子在电极与电解质溶液间的传输距离。此外，由于石墨烯具有零带隙的半导体和狄拉克载流子特性，同时其费米面位于狄拉克点，导致其半导体的性质和电子性能均受到一定的影响。

利用杂原子(如氮、硼等)的掺杂可有效地打开石墨烯的带隙，调控电子结构和带隙的大小，改善其电学性质。当氮原子掺杂到石墨烯中时，电子将从氮原子转移到石墨烯上，使载流子变为电子型，费米面移动到狄拉克点之上，进而打开其带隙。由于氮原子的电负性大于碳原子，可以诱导更多的正电荷到相邻的碳原子上，有效提高在电化学和太阳能电池方面的应用；其次，氮原子与碳原子的原子半径相近，可防止晶格失配；此外，氮原子与碳原子形成的共价键键长较短，可提高石墨烯结构的稳定性。

三维氮掺杂石墨烯的制备方法主要有化学气相沉积法、热处理法和水热法。

化学气相沉积法(CVD法)通常采用Ni、Cu等过渡金属为基体，高温下利用碳源和氮源气体在基底表面分解重新生长得到多层的氮掺杂石墨烯。Feng等人以金属镍为模板、乙二胺为氮源，在900℃下使三维氮掺杂石墨烯薄膜生长在镍表面后，再将甲基丙烯酸甲酯(PMMA)沉积在石墨烯表面，最后分别用热盐酸腐蚀镍、热丙酮溶解PMMA，得到三维氮掺杂石墨烯，其氮含量为2.71at％，在生物传感器中具有很好的检测性能[Feng X,Zhang Y,Zhou J,et al.Three-dimensional nitrogen-doped graphene as an ultrasensitive electrochemical sensor for the detection of dopamine[J].Nanoscale,2015,7(6):2427-32.]。但是CVD法实验条件苛刻，设备昂贵，而且由于参与沉积反应的气源和反应后的余气都有一定毒性，阻碍了其工业化应用。