[发明专利]一种自由基诱导石墨型氮掺杂石墨烯催化材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种自由基诱导石墨型氮掺杂石墨烯催化材料及其制备方法，氮掺杂石墨烯催化材料由如下质量百分比的原料组分通过水热合成法制成：石墨粉40～60wt％、硝酸钠0.50～0.80wt％、高锰酸钾1.50～2.60wt％、浓硫酸4.00～6.00wt％、亚硝酸盐5.00～10.00wt％、双氧水10.00～15.00wt％，余量为水，其中石墨型氮掺杂在总氮掺杂结构中占75％以上。本发明通过在适当的反应条件下调控氮原子的负载量与负载形态，提升高电导的石墨型氮掺杂比例，使杂化后石墨烯材料具有更优异的导电性和催化活性；本发明可拓展材料在催化产业的实际应用前景，有助于深化杂化石墨烯材料催化理论研究，本材料开发在科学研究和实际应用方面均具有重要意义。

技术领域

本发明属于石墨烯催化剂技术领域，具体涉及一种自由基诱导石墨型氮掺杂石墨烯催化材料及其制备方法。

背景技术

自2004年石墨烯材料成功制备以来，石墨烯材料因其具有无毒、易得、化学稳定性强等特点，成为物理、化学、生物医学和材料科学等领域的研究热点。其中，氧化石墨烯具有足够的氧官能团、较小的颗粒尺寸和大量裸露的边缘部位，为表面改性提供了良好的基底。但是，石墨烯在实际应用中，仍受到以下材料缺陷的限制：(i)石墨烯材料的零带隙电子结构特征，极大的限制了其在电化学领域的应用；(ii)石墨烯具有较高的表面能使其容易团聚，从而导致高催化活性表面的损失。现阶段，一种常用于调节石墨烯理化性质的有效方法是通过掺杂非均相原子(如无机非金属原子)，以重组石墨烯的亚晶格结构，打破石墨烯原有的对称性和规则嵌套结构。

杂原子掺杂石墨烯催化材料能够改善现有石墨烯材料的电磁、物理化学、光学、结构及催化特性。在众多无机非金属原子中，N原子的原子半径与碳原子相近。因此，N原子容易通过取代石墨烯上C原子的方式掺杂到石墨烯的六元环结构中，以获得具有独特结构的的氮掺杂石墨烯材料。此外，N原子的电负性(3.04)比碳原子(2.55)强，N的引入会产生N-C键，使得与N相邻的C原子会产生更多的正电荷，从而有效地增强石墨烯材料的电子吸附能力。这种电负性的增大可以为电催化氧化降解反应创造更好的催化条件。氮掺杂含量以及氮的构型(如吡啶N，吡咯N，石墨N或氮氧化物)对氮掺杂石墨烯材料的电化学活性有重要影响。其中，石墨型氮被证明是电导特性提升的主要掺杂形态。但是在传统掺杂情况下，多种形态的N掺杂在石墨烯网络中是共存的，且多种形态N的掺杂比例难以调控。因此，简单地通过调整合成参数来改变石墨烯材料中石墨型氮掺杂比例对提升杂化材料电催化活性具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种自由基诱导石墨型氮掺杂石墨烯催化材料及其制备方法，通过在适当的反应条件下调控氮原子的负载量与负载形态，提升高电导的石墨型氮掺杂比例，使杂化后石墨烯材料具有更优异的导电性和催化活性。

为了实现以上目的，本发明的技术方案之一如下：

一种自由基诱导石墨型氮掺杂石墨烯催化材料，由如下质量百分比的原料组分通过水热合成法制成：石墨粉40～60wt％、硝酸钠0.50～0.80wt％、高锰酸钾1.50～2.60wt％、浓硫酸4.00～6.00wt％、亚硝酸盐5.00～10.00wt％、双氧水10.00～15.00wt％，余量为水，其中石墨型氮掺杂在总氮掺杂结构中占75％以上。

在本发明的一个优选实施方案中，所述氮掺杂石墨烯催化材料由如下质量百分比的原料组分通过水热合成法制成：石墨粉45～55wt％、硝酸钠0.60～0.70wt％、高锰酸钾1.51～2.55wt％、浓硫酸4.50～5.50wt％、亚硝酸盐7.00～9.00wt％、双氧水12.00～14.00wt％，余量为水。

进一步优选的，所述亚硝酸盐为亚硝酸钠或亚硝酸铵。

所述自由基诱导为亚硝酸盐和双氧水协同作用。