一种臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种臭氧(O3)强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料及其制备方法，石墨氮掺杂石墨烯催化材料的制备方法包括利用臭氧发生器制备O3，维持臭氧浓度在氧化石墨烯水溶液中为5

【技术实现步骤摘要】
一种臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于石墨烯催化剂
，具体涉及一种臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯兼具许多优秀理化特性，如大的比表面积、优异的机械强度和柔韧性、出色的导热性和导电性以及卓越的电化学性能，不仅可用于电催化氧化，还可以用作吸附材料、制作超级电容器等。由于石墨烯的每个碳上剩余的p
z
轨道与相邻原子的p
z
轨道重叠，形成一个π轨道的满带(价带)和一个π*轨道的空带(导带)。因此，石墨烯可被认为是一种费米面消失的金属，或带隙为零的半导体。因此，诱导石墨烯产生带隙可以极大地提高石墨烯的电催化性能，从而提升石墨烯在电催化领域应用的可行性。
[0003]杂原子掺杂是打开石墨烯带隙，提高其催化活性的最常用方法。与碳相比，氮原子具有较高的电负性，将其引入石墨烯中会产生极化，改善石墨烯的电化学性能。氮原子主要可以与石墨烯形成三种不同键合结构：直接取代晶格中的一个碳原子形成石墨氮，与六元环中的两个碳原子结合并伴有空位形成吡啶氮，以五元环的形式形成吡咯氮。不同的键合构型在石墨烯的改性过程中起到了不同的作用。吡啶氮和石墨氮对石墨烯结构的影响不大，能保持石墨烯结构的稳定性。吡啶氮和吡咯氮可利用氧化还原反应提高材料的法拉第电容，而石墨氮则可以增强电导率及向相邻碳原子提供电子的能力，有利于电催化反应过程中的电子传输。因此石墨氮结构的掺杂被认为能有效改善石墨烯的电化学性能。然而，在众多处理方法中，氮原子在石墨烯结构中常呈现掺杂形态复杂的缺陷，基本以“吡啶型氮
‑
石墨型氮
‑
吡咯型氮”的复合形态出现。现阶段，对单一形态氮进行石墨烯掺杂的技术方法仍有待进一步研究。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料及其制备方法，解决了上述
技术介绍
中氮原子杂化结构调控困难的问题。
[0005]本专利技术开发的臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料制备具有结构调控能力强、操作简单、制备能耗低(低温操作)等优点。O3刻蚀预处理过程中，O3可攻击石墨烯以产生缺陷，并引入大量的氧基团占据了石墨烯边缘位点，而随着氮前驱物添加，氮更倾向于填补石墨烯结构缺陷形成中心掺杂的石墨氮构型。因此，利用臭氧强化石墨氮掺杂法可实现高催化性能材料的结构调控与制备。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料的制备方法，包括如下步骤：
[0007]利用臭氧发生器制备O3，通入氧化石墨烯和水，氧化石墨烯和水中氧化石墨烯占比75～85wt％，于40～150℃水热反应0.5～4h，经O3刻蚀后的石墨烯分散液与占比2.00～10.00wt％的氮前驱物混合，在40～200℃低温热退火条件下反应1
‑
8h，即得臭氧强化石墨
氮掺杂石墨烯催化材料。
[0008]在本专利技术一较佳实施例中，氧化石墨烯和水中氧化石墨烯占比77～82wt％。
[0009]在本专利技术一较佳实施例中，维持臭氧在氧化石墨烯水溶液中浓度为5
‑
25mg/L。
[0010]在本专利技术一较佳实施例中，利用10KHz
‑
15KHz臭氧发生器生成O3前处理刻蚀石墨烯，维持臭氧浓度在氧化石墨烯水溶液中为5
‑
25mg/L，60～120℃水热反应1～3h，经O3刻蚀后的石墨烯分散液与3.50～8.00wt％氮前驱物混合，在50～120℃低温热退火条件下反应2～6h。
[0011]在本专利技术一较佳实施例中，所述载气为一氧化碳或甲烷。
[0012]在本专利技术一较佳实施例中，所述氮前驱物为脲或三聚氰胺。
[0013]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了一种臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料，采用上述的方法制备而成。
[0014]在本专利技术一较佳实施例中，包括石墨氮掺杂石墨烯材料。
[0015]在本专利技术一较佳实施例中，石墨氮掺杂结构在总氮杂化结构中占95wt％以上。
[0016]本技术方案与
技术介绍
相比，它具有如下优点：
[0017](1)本专利技术通过臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料制备，利用O3刻蚀预处理过程中，O3攻击石墨烯以产生缺陷，并在此过程中引入大量的氧基团占据石墨烯边缘位点，而随着氮前驱物添加，诱导氮填补石墨烯结构缺陷形成中心掺杂的石墨氮构型。材料制备路线新颖、制备方法具有结构调控能力强、操作简单、制备能耗低(低温操作)等优点，在适当的反应条件下定向调控氮的负载形态，提升高催化活性的石墨氮掺杂比例，为提升杂化材料电催化性能及微观分子结构的反应机理研究提供了重要技术手段。
[0018](2)本专利技术的臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料在常温常压条件下，具有良好的电催化活性。
[0019](3)本专利技术可提升催化材料定向调控的选择性，有助于从微观结构作切入点提升催化材料性能，本材料开发在深化理论研究和杂化石墨烯材料市场化应用推广方面均具有重要意义。
附图说明
[0020]图1为实施例1中臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料的穿透式电子显微镜图；
[0021]图2为实施例1中臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料的X射线光电子谱分析图；
[0022]图3为实施例1和对比例中臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料及石墨烯催化剂材料降解双酚A效率图；
[0023]图4为实施例1中臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料降解抗生素甲效率图。
具体实施方式
[0024]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例对本专利技术进行更详细地描述，但本专利技术的保护范围并不受限于这些实施例。
[0025]一种臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料，其制备方法具体包括如下步骤：
[0026](1)按照原料组分称取各原料：75～85wt％氧化石墨烯，余量为水；
[0027](2)利用臭氧发生器制备O3，通入氧化石墨烯和水，40～150℃水热反应0.5～4h；
[0028](3)将步骤(2)所得的分散液与2.00～10.00wt％氮前驱物混合，在40～200℃低温热退火条件下反应1～8h，即得臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料，其中石墨氮掺杂结构在总氮杂化结构中占95％以上。
[0029]所述氮前驱物为脲或三聚氰胺。
[0030]其中，利用O3刻蚀前处理、水热合成和低温退火的协同作用，本专利技术的设计反应过程中，O3刻蚀预处理形成石墨烯结构缺陷及大量的氧基团石墨烯边缘位点掺杂，后利用氮前驱物添加，诱导氮填补石墨烯结构缺陷形成中心掺杂的石墨氮构型。
[0031]实施例1
[0032]一种臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料，具体制备方法包括如下步骤：
[0033](1)按照原料组分称取各原料：80wt％氧化石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1)生成O3后，通入氧化石墨烯和水，其中氧化石墨烯占比为75～85wt％，于40～150℃水热反应0.5～4h，得到O3刻蚀后的石墨烯分散液；2)将O3刻蚀后的石墨烯分散液与氮前驱物混合，其中氮前驱物占比为2.00～10.00wt％，在载气保护下于40～200℃低温热退火条件下反应1
‑
8h，即得臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料。2.根据权利要求1所述的臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述氧化石墨烯占比为77～82wt％。3.根据权利要求1所述的臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述氮前驱物占比为3.50～8.00wt％。4.根据权利要求1所述的臭氧强化石墨氮掺杂石墨烯催化材料的制备方法，其特征在于：利用5KHz
‑
20KHz...

【专利技术属性】
技术研发人员：张倩，洪俊明，陈思，胡腾飞，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：