[发明专利]一种原位掺杂石墨单炔、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种原位掺杂石墨单炔、制备方法及应用，将碳化钙与含杂原子的多卤代烃混合，然后混合物一次或多次地加入到球磨机中，在真空或常压惰性气体保护条件下球磨反应得到反应产物；将反应产物先用稀硝酸洗涤，再用乙醇或苯洗涤得洗涤产物；将洗涤产物真空干燥，然后研磨成粉，得到粉末状原位掺杂石墨单炔材料。本发明反应原料廉价易得，反应条件温和，反应设备简单，反应工艺简便。合成的掺杂石墨单炔种类多样，并可根据选用不同含杂原子多卤代烃，调控合成原位掺杂石墨单炔的种类与杂原子含量。生成的炔碳材料质地均匀，物化性质优良，具有良好的孔结构，且在能源、催化、环保等领域具有重要而广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种碳纳米材料制备，尤其涉及的是一种原位掺杂石墨单炔、制备方法及应用。

背景技术

新型碳材料的发现和应用探究是材料科学的前沿和研究热点之一。近年来，碳纳米管、富勒烯C₆₀、石墨烯、石墨炔等新型碳材料被相继发现或合成，并以其独特结构与性质对科研界与人类生活产生了重大影响，也为能源、环境、催化等领域提供了巨大助力。其中，石墨炔(包含石墨单炔与石墨双炔)，作为一种由sp与sp²杂化碳原子结合而成的具有广域二维平面网络结构的富炔基碳材料，以其独特的物化性能、电性能、以及结构可调变性能受到人们的普遍关注。

目前，石墨双炔已经通过Glaser-Hay交叉偶联反应成功合成，并已经在超级电容器、锂离子电池、太阳能电池、光催化、电催化、光探测器等领域的应用进行了深入的探究。同时，在石墨单炔的机械化学合成技术上也取得了突破性研究进展，并在储能、环境等领域中展现出了巨大的应用潜力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何实现石墨单炔的掺杂制备，提供了一种原位掺杂石墨单炔、制备方法及应用。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明的一种原位掺杂石墨单炔的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳化钙与含杂原子多卤代烃按照摩尔比4～12：1混合，然后混合物一次或多次地加入到球磨机中，在真空或常压惰性气体保护条件下球磨反应0.5～10h得到反应产物；

(2)将反应产物先用稀硝酸洗涤，再用乙醇或苯洗涤得洗涤产物；

(3)将洗涤产物在120℃下真空干燥，然后研磨成粉，得到粉末状原位掺杂石墨单炔材料。

作为本发明的优选方式之一，所述球磨反应的温度为常温，球磨速率为400～700r/min。

作为本发明的优选方式之一，所述含杂原子多卤代烃选自五氯吡啶C₅Cl₅N、四溴噻吩C₄Br₄S、四溴苯酐C₈Br₄O₃、硫丹C₉H₆Cl₆O₃S、五氯硝基苯C₆Cl₅NO₂、十溴二苯醚C₁₂Br₁₀O中的一种或几种组合。

作为本发明的优选方式之一，所述球磨机选自震动式球磨机、搅拌式球磨机、滚筒式球磨机和行星式球磨机中的任一种。

一种使用所述的方法制备的原位掺杂石墨单炔。

所述的原位掺杂石墨单炔制备过程是以机械球磨激发电石反应活性，使得电石中的炔基自由化，体现强亲核集团性质，从而完成对含杂原子多卤代烃上卤素的亲核取代，最终构建得到含杂原子的炔碳纳米网。

所述原位掺杂石墨单炔为炔基连接的超广域共轭结构的含杂原子碳骨架。通过选用不同的前驱体，就可以实现掺杂元素或者结构的改变。