[发明专利]一种氮掺杂石墨烯的可控制备方法及其所制备的氮掺杂石墨烯

说明书

本发明公开了一种氮掺杂石墨烯的可控制备方法和使用该方法制备的氮掺杂石墨烯。本发明将离子液体与有机溶剂以一定的比例混合，将其旋涂于退火后的铜箔上，在Ar/H₂气氛下高温热分解制备氮掺杂石墨烯。使用该方法制备的氮掺杂石墨烯的层数、氮含量和氮掺杂种类可以通过调节离子液体与有机溶剂的比例进行调控。本发明制备方法简便，工艺设备简单，产品性能稳定可控，原料易得，反应周期短，可重复性高。

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，具体地说，本发明涉及一种氮掺杂石墨烯的可控制备方法和使用该方法制备的氮掺杂石墨烯。

背景技术

对石墨烯进行可控氮掺杂是一种有效的方法来调整其电子、化学、光学和磁性特性，从而拓宽石墨烯的应用价值。氮掺杂石墨烯(NG)具有以下优势：

1)N原子的孤对电子与石墨烯的π电子之间形成强共轭，可以改变相邻碳原子的电荷密度，进而改善石墨烯的性能；

2)NG可以使费米能级移动，打开石墨烯的能带隙，提高载流子迁移率；

3)NG可以扩大石墨烯的晶面间距，降低离子嵌入和脱嵌的能量势垒等，以上优势使得石墨烯在电催化，能源存储与转换以及显示领域具有广泛的应用前景。因此，NG的可控制备以及性能研究受到广泛关注。

NG的可控制备方法归纳起来，主要有化学气相沉积法(CVD)、等离子体处理法、电弧放电法、热退火处理法和离子液体热解法等。

化学气相沉积法一般是采用Cu或Ni金属基底作为催化剂，在高温下通入气态前驱体，即碳源和氮源，通过高温下原子或分子间的化学反应促使气态前驱体分解，继而在催化剂基底上生长成膜。(Wei et al.Nano Letters.,5,9,(2009))。该方法可以调节气态前驱体的比例制得尺寸较大的石墨烯材料，但是，制造过程涉及气体参数难以控制，生产成本过高，进而限制了产品的应用。

等离子体处理法是将碳源材料放置在高能态的氮源等离子气体流中，利用含氮物质的等离子体轰击石墨烯或其衍生物，从而在石墨烯晶格中产生空位，氮原子嵌入到石墨烯晶格当中，最终形成NG。掺氮量可以由等离子体的轰击时间、强度和能量来调控。然而，等离子体处理反应条件要求严苛(如反应要在高压下进行)，且处理时间有限，不能获得高掺氮量的NG。

电弧放电法可控制备NG的原理是在氢气和氮源气氛中，通过碳电极间电弧放电来产出NG(Rao et al.Advanced Materials,21,46,(2009))，该方法得到的N含量较低，且制备的NG大都为多层结构。

热退火处理法是指用含氮的气体或液体处理氧化石墨及其衍生物来获取NG(Liet al.Journal of the American Chemical Society,131,(2009))。该法可以控制氧化石墨与含氮物质的比例进行掺杂，但得到的氮掺杂率一般会比较低，因为反应大多数发生在石墨烯的晶格中以及边缘等缺陷处，而且高温条件下难以控制反应物的比例。

离子液体热解法是利用离子液体极低的蒸气压，热稳定性高等优势，将其旋涂在铜箔上，高温下热解制备NG(Guan et al.专利CN113353922A)的方法，该方法操作简便，工艺设备简单，可以调节离子液体的种类实现可控掺杂，然而，由于离子液体粘度较大，制备的NG大多为多层结构。

综上所述，目前可控制备NG的技术还不能同时满足制备方法简单、结构可控、产品性能稳定等基本要求，这就极大的限制了NG在更大范围、更广阔领域的应用。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种氮掺杂石墨烯的可控制备方法及其所制备的氮掺杂石墨烯，在离子液体热解法制备NG的基础上，克服样品厚的不足之处，提供一种氮掺杂石墨烯的可控制备方法和使用该方法制备的氮掺杂石墨烯。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：