[发明专利]一种金属掺杂类石墨烯碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种金属掺杂类石墨烯碳材料及其制备方法和应用，属于材料领域。该方法以粘土为模板，利用金属有机配合物为原料，通过插层、分散、吸附、配位、干燥、碳化和去除模板过程，制备得到金属掺杂类石墨烯碳材料。本发明方法制备过程简单，原料廉价丰富，制备的金属掺杂类石墨烯碳材料不易聚集，作为电催化剂，表现出高效的电催化氧还原性能，在掺杂碳材料制备和燃料电池及金属‑空气电池电催化领域具有广泛的应用价值。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种金属掺杂类石墨烯碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯是一类二维晶体结构碳层材料，该独特的蜂巢状晶体结构使其具有优异的性能，如超高的比表面积、良好的导电性、导热性和力学性能，在催化、能源和信息等方面应用广泛。目前石墨烯材料制备方方较多，如机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、氧化还原法等，均可以制备出石墨烯材料。然而，上述方法制备的石墨烯材料的片层间存在很强的范德华力，使其很容易聚集和堆叠，分散性较差，从而导致其比表面显著降低，限制其进一步应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题提出一种金属掺杂类石墨烯碳材料的制备方法及应用。本发明以自然界二维层状粘土为模板，利用金属有机配合物为原料，通过插层、分散、吸附、配位、干燥、碳化和去除模板过程，制备得到金属掺杂类石墨烯碳材料，其中粘土作为二维层状类石墨烯碳材料的成型剂，金属有机配合物作为金属源和碳源，一步高温碳化即可得到金属掺杂类石墨烯碳材料；该方法制备过程简单，原料廉价丰富，制备的金属掺杂类石墨烯碳材料不易聚集，作为电催化剂，表现出高效的电催化氧还原性能，在掺杂碳材料制备和燃料电池及金属-空气电池电催化领域具有广泛的应用价值。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种金属掺杂类石墨烯碳材料的制备方法，所述的制备方法如下：

1)将表面活性剂于溶剂中，然后加入粘土，在50～100℃条件下搅拌2-10h，得到粘土混合液；

其中：表面活性剂：粘土的质量比为1：0.1～10；

2)将含氮有机配体溶解到溶剂中得到混合液，在该混合液加入到步骤(1)的粘土混合液中，搅拌溶解，溶解后加入金属盐，继续搅拌1小时，之后干燥后得到金属有机配合物/粘土复合前驱体；

3)将步骤(2)得到的复合前驱体放于管式炉中，高温碳化处理，获得金属/碳/粘土复合物；

4)称取步骤(3)得到的金属/碳/粘土复合物加入到氢氟酸溶液中，搅拌3～7h，之后依次经过离心、洗涤、干燥，即可得到金属掺杂类石墨烯碳材料，金属原子的掺杂质量占总质量的0.1-10％。

一种金属掺杂类石墨烯碳材料，该材料通过如下方法制备得到：

1)将表面活性剂于溶剂中，然后加入粘土，在50～100℃条件下搅拌2-10h，得到粘土混合液；

其中：表面活性剂：粘土的质量比为1：0.1～10；

2)将含氮有机配体溶解到溶剂中得到混合液，在该混合液加入到步骤(1)的粘土混合液中，搅拌溶解，溶解后加入金属盐，继续搅拌1小时，之后干燥后得到金属有机配合物/粘土复合前驱体；

3)将步骤(2)得到的复合前驱体放于管式炉中，高温碳化处理，获得金属/碳/粘土复合物；

4)称取步骤(3)得到的金属/碳/粘土复合物加入到氢氟酸溶液中，搅拌3～7h，之后依次经过离心、洗涤、干燥，即可得到金属掺杂类石墨烯碳材料，金属原子的掺杂质量占总质量的0.1-10％。

本发明技术方案中：步骤1)中表面活性剂为阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂中的一种，阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵和十八烷基三甲基氯化铵中的一种，非离子表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。