[发明专利]一种基于一步水热法制备碘氮双掺杂石墨烯的方法

说明书

本发明涉及一种碘氮双掺杂石墨烯的制备方法，特别是一种基于一步水热法制备碘氮双掺杂石墨烯的方法。其具体步骤是：首先采用改良的Hummer’s法制备氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯与碘源、氮源，经搅拌超声均匀混合后进行水热反应，水热产物经过滤洗涤、冷冻干燥后便可得到碘氮双掺杂石墨烯材料。本发明具有操作简单、成本低、能耗小、重复率高、过程易控制等优点，易于实现大规模工业化生产，具有重要的实用价值和良好的发展前景。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备领域，具体涉及一种基于一步水热法制备碘氮双掺杂石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯（graphene）是由sp²杂化原子构成的一种具有蜂窝状六方点阵结构的二维纳米材料，独特的结构使其具有优异的热学、机械、和电学等性能。随着研究的不断深入，研究者们已不仅只专注于石墨烯本身的功能性研究，而是更加重视在设备中的实际应用。纯石墨烯的活性位点不够，不具有选择性，在实际应用中不具备很好的匹配度。而且石墨烯基材料在酸性介质下的氧化还原反应（ORR）中催化活性较低，不足以替代贵金属作为电催化剂。为了弥补石墨烯的缺陷，除了对石墨烯进行形貌控制外，对石墨烯进行掺杂是另外一种有效的方法。

通过掺杂可以打开石墨烯的能带隙，杂原子能影响石墨烯的酸碱特性，改变电化学和催化性能。根据目前报道，磷掺杂率较低，导致电催化活性低于Pt/C，掺杂后材料的比表面积较小。而硼掺杂后，材料的电负性比氮掺杂的要小。氮原子能诱导更多的正电荷到相邻的碳原子上，有效地提高阴离子交换性能和电催化活性，且具有更优异的稳定性。对石墨烯进行氮掺杂，还可打开能带隙并调整导电类型，改变电子结构，提高自由载流子密度，从而提高石墨烯的导电性能。在电荷转移和掺杂大尺寸原子方面，卤化石墨烯是一个迅速发展的石墨烯衍生物家族，因其石墨烯的p-共轭网络不受卤素掺杂的影响，近年来受到了研究者们极大的关注。当碳材料掺杂碘时，碘具有比铜更高的电导率，并作为掺杂剂可改变导电聚合物和无机材料的光学和电学性能。此外，研究表明双原子掺杂石墨烯的物理化学性能优于单掺杂石墨烯。例如，文献表明，与氮掺杂石墨烯（NG）相比，碘和氮双掺杂石墨烯（ING）表现出更大的表面积，导电性更好，导致高的起始电位和电流密度，以及改善的耐甲醇性中毒性（ChemSusChem, 2015, 8(23): 4040-4048.）。

目前，合成碘氮双掺杂石墨烯的方法主要是基于氧化石墨烯的热还原，两步高温热退火合成法，这种方法不仅能耗较高，而且实验过程较为复杂，难以控制。因此，寻找一种低温合成、实验操作简单的碘氮双掺杂石墨烯的制备方法是十分必要的。

发明内容

本发明提出了一种基于一步水热法制备碘氮双掺杂石墨烯的方法，具有操作简单、成本低、能耗小、重复率高、过程易控制等优点，易于实现大规模工业化生产，具有重要的实用价值和良好的发展前景。

实现本发明的技术方案是：

一种基于一步水热法制备碘氮双掺杂石墨烯的方法，步骤如下：将氧化石墨烯分散液、氮源和碘源，搅拌超声处理后放入水热反应釜进行水热反应，水热产物经过滤洗涤至滤液为中性后，放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到碘氮双掺杂石墨烯。

所述氧化石墨烯分散液采用改良的Hummer’s法制得，氧化石墨烯分散液的质量浓度为1-5mg/mL。

将80mL氧化石墨烯分散液中加入0.01mol氮源，氮源和碘源的摩尔比为1：（1-5）。

所述氮源为尿素、氨水、乙二胺、二乙烯三胺中的任意一种，所述碘源为碘化钾、碘化钠、碘酸钾、碘酸钠中的任意一种。

所述搅拌时间为1-2h，超声时间为30-60min，超声波功率为100-300W，所述水热反应时间为18-24h，水热温度为150-180℃。

所述冷冻干燥的温度为-50至-70℃，冷冻干燥时间为12-24h。