一种氮掺杂石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂石墨烯的制备方法，该方法包括以下步骤：首先将石墨粉在含氮活性气氛中热处理进行氮化和膨胀，得到氮掺杂石墨；再将氮掺杂石墨分散于溶剂中，通过超声分散、离心，收集上清液，得到氮掺杂石墨烯材料。采用本发明专利技术方法不会在石墨烯片层中引入孔洞、化学基团等结构缺陷，制备的氮掺杂石墨烯具有片层完整、缺陷少、氮含量高、结构稳定等优点，并且与现有技术相比，本发明专利技术制备工艺过程非常简单、快速、高效，成本低廉，容易实现规模化生产和应用。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂石墨烯的制备方法
本专利技术涉及石墨烯材料的
，更具体的说是涉及一种氮掺杂石墨烯的制备方法。
技术介绍
石墨烯是由碳原子六元环排列构成的一种新型二维晶体材料。自其2004年由英国曼彻斯特大学科学家发现以来，由于其具有超高的比表面积、优异的力学、电学、光学、热学和多功能特性等诸多优点，在能源、电子、环境等领域中显示出重要的研究价值和应用前景。人们通过各种化学改性的方法尝试对石墨烯的结构和性能进行改善和调控，尤其是化学元素掺杂，可以使石墨烯在结构和性能上均有较大的提升。氮原子具有与碳原子相近的原子尺寸，非常容易替代碳原子结合到石墨烯的碳碳骨架中。同时，由于氮原子较高的电负性，与碳原子结合时的孤对电子能够与碳层的π键电子形成共轭体系，能够有效提高石墨烯的电子特性和化学活性，从而在微纳电子器件、催化、电化学、传感等功能领域具有更重要、更广泛的应用。目前，制备氮掺杂石墨烯的常用方法是先合成氧化石墨烯，再通过高温加热、溶剂热、氮等离子放电、微波辐照等后续方法进行掺氮。然而，这些后续掺氮方法的缺点是引入的氮组分很难在碳层内部形成稳定的结合结构，同时会在石墨烯碳层内引入大量的孔洞缺陷和不必要的氧基团，从而严重影响石墨烯的性能和结构稳定性；也有以含碳和含氮的前驱体作为碳源和氮源，通过化学气相沉积或电弧放电方法直接合成氮掺杂石墨烯。但是，这些方法涉及生长基底的处理，石墨烯薄膜的分离、转移等复杂过程，并且这些工艺条件苛刻、对设备和成本的要求非常高，难以规模化生产。因此，如何提供一种低缺陷、低成本、高品质，并且工艺简单、快速、高效制备氮掺杂石墨烯的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种成本低廉、品质良好、缺陷少，制备工艺简单、快速、高效的氮掺杂石墨烯的制备方法。本专利技术提供的氮掺杂石墨烯的制备方法完全不同于以往的后续掺氮法和直接掺氮法，而是在石墨粉原料中直接掺入氮元素，再经过超声剥离等工艺制备出氮掺杂石墨烯。该方法制备的氮掺杂石墨烯缺陷少，不会引入氧基团，片层完整，氮原子稳定结合在石墨烯碳层内，且石墨烯层数少。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种氮掺杂石墨烯的制备方法，包括以下步骤：(1)将石墨粉在含氮活性气氛中热处理，使氮元素掺入石墨层中并使石墨膨胀；(2)将步骤(1)得到的氮掺杂石墨粉分散于溶剂中，通过超声分散、离心，收集上清液，得到氮掺杂石墨烯材料。优选的，在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中，步骤(1)中所述石墨粉为天然鳞片状石墨、裂解膨胀石墨或其它未经任何化学修饰的片层状石墨粉中的一种。上述技术方案的有益效果是：天然鳞片状石墨和裂解膨胀石墨来源广泛易得，而且采用未经任何化学修饰的片层状石墨粉作为原料，能够避免在高温预氮化和剥离过程中引入额外的化学反应，从而保证石墨层结构的完整性。优选的，在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中，步骤(1)中所述含氮活性气氛为氨气、氨气与氩气混合气体、氨气与氦气混合气体、氨气与氮气混合气体、氨气与氢气混合气体中的一种。上述技术方案的有益效果是：本专利技术采用氨气作为氮源，而非以往常用的含氮有机物作氮源，是由于氨气作为还原性的气态小分子能够有效扩散渗入到碳层之间，并且在一定热处理温度下分解出氮原子对碳层进行掺杂，同时分解后的小分子气体会随气流排出，不会在碳层内引入氧基团等其它组分。优选的，在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中，步骤(1)中所述热处理温度为500-1200℃，升温速率为2-20℃/min，气流速度为0.06-0.6L/min，热处理时间为0.5-12h。上述技术方案的有益效果是：实验结果证实，在上述预氮化条件下能够实现氮原子掺杂。石墨粉在500℃以上的温度下预氮化处理0.5h，氨气分解出的氮原子能够有效结合到碳碳骨架中实现氮原子掺杂，氮原子含量达到1.0％；并且随着热处理温度升高和热处理时间增长，石墨烯产物中的氮原子含量逐渐提高。优选的，在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中，步骤(2)中所述溶剂是与石墨烯表面具有润湿性的有机溶剂，或者所述溶剂是对石墨层具有插层作用的离子水溶液。上述技术方案的有益效果是：石墨碳层由于碳碳原子间的共价键结构而使其表面呈现出典型的非极性，因此难以直接分散在水中。一方面，本专利技术将氮掺杂石墨粉分散到与石墨烯表面具有相似的非极性的有机溶剂中，通过超声分散中的高能震荡降低石墨烯的表面能，使碳层被逐渐剥离开并分散到溶剂中形成石墨烯；另一方面，本专利技术也将氮掺杂石墨粉分散到离子水溶液中，利用小尺寸离子和表面活性剂分子与石墨烯片层间的电荷静电作用，在超声过程中对碳层进行插层剥离，使碳层分离并分散到溶剂中形成石墨烯。利用上述技术方案，能够简便、快速地实现碳层剥离获得氮掺杂石墨烯材料。优选的，在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、四氢呋喃、丙醇、异丙醇、乙二醇、乙醇、丙酮、硝基甲烷、甲苯、聚乙烯吡咯烷酮/N,N-二甲基甲酰胺溶液、聚乙烯吡咯烷酮/N,N-二甲基乙酰胺溶液、聚乙烯吡咯烷酮/N-甲基吡咯烷酮溶液、聚乙烯吡咯烷酮/二甲基亚砜溶液、聚乙烯吡咯烷酮/N,N-四氢呋喃溶液、聚乙烯吡咯烷酮/丙醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮/异丙醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮/乙二醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮/乙醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮/硝基甲烷溶液中的一种。优选的，在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中，所述溶剂为氯化氢、磷酸、氯酸锂、高氯酸锂、氯化钾、高氯酸钾、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、脂肪醇醚硫酸钠的水溶液中的一种。优选的，在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中，步骤(2)中所述氮掺杂石墨粉在所述溶剂中的分散浓度为0.01-2.0mg/mL。氮掺杂石墨粉在溶剂中的浓度不宜过高，以免影响其分散性和产生团聚。优选的，在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中，步骤(2)中所述超声分散的功率为40-300W，超声频率为40-60kHz，超声时间为1-48h。优选的，在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中，步骤(2)中所述离心的转速为5000-16000rpm，离心力为5000-18000×g，离心时间为1-15min。在较高离心速度下对产物进行分离，能够尽可能的保证获得单层或少层的氮掺杂石墨烯产物。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开的一种氮掺杂石墨烯的制备方法，具有以下明显的技术优势和效果：(1)采用本专利技术所述方法制备得到的氮掺杂石墨烯，不会在石墨烯片层中引入孔洞、化学基团等结构缺陷，制备的氮掺杂石墨烯具有缺陷少、片层结构完整、氮原子含量高和结构稳定、石墨烯层数少的优点；(2)采用本专利技术所述方法获得的氮掺杂石墨烯均匀分散于溶剂中，不存在团聚等问题，更有利于石墨烯与其它材料进行复合。(3)本专利技术提供的氮掺杂石墨烯的制备方法，工艺过程非常简单、制备过程快速、高效，对原料和设备本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将石墨粉在含氮活性气氛中热处理，使氮元素掺入石墨层中并使石墨膨胀；/n(2)将步骤(1)得到的氮掺杂石墨粉分散于溶剂中，通过超声分散、离心，收集上清液，得到氮掺杂石墨烯材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将石墨粉在含氮活性气氛中热处理，使氮元素掺入石墨层中并使石墨膨胀；
(2)将步骤(1)得到的氮掺杂石墨粉分散于溶剂中，通过超声分散、离心，收集上清液，得到氮掺杂石墨烯材料。


2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述石墨粉为天然鳞片状石墨、裂解膨胀石墨或其它未经任何化学修饰的片层状石墨粉中的一种。


3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述含氮活性气氛为氨气、氨气与氩气混合气体、氨气与氦气混合气体、氨气与氮气混合气体、氨气与氢气混合气体中的一种。


4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述热处理温度为500-1200℃，升温速率为2-20℃/min，气流速度为0.06-0.6L/min，热处理时间为0.5-12h。


5.根据权利要求1所述的一种氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述溶剂是与石墨烯表面具有润湿性的有机溶剂，或者所述溶剂是对石墨层具有插层作用的离子水溶液。


6.根据权利要求1或5所述的一种氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N...

【专利技术属性】
技术研发人员：康艳茹，赵祥，曹琳，李哲，徐坤，
申请(专利权)人：曲靖师范学院，
类型：发明
国别省市：云南;53