CN103539102B - 一种制备氮掺杂氧化石墨烯的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种制备氮掺杂氧化石墨烯的方法和装置，以氧化石墨烯为原材料，以氨水为氨源，自行设计一个双层的石英杯，把30mg氧化石墨烯放在双层石英杯上层，10ml氨水加入双层石英杯下层，实现氧化石墨烯和氨水的有效分离；把双层石英杯装进聚四氟乙烯内杯，再把聚四氟乙烯内杯装进不锈钢外罐，在200℃下反应3小时，自然冷却至室温，即得到所需的氮掺杂氧化石墨烯。用本发明的方法制备的氮掺杂氧化石墨烯，氮含量较高，其氮原子个数百分含量达到11.65%；而氧含量较低，其原子个数百分含量仅为6.66%。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备氮掺杂氧化石墨烯的方法和装置，尤其是能实现氧化石墨烯和氨水的有效分离和同步反应。
背景技术
自从氮掺杂氧化石墨烯被发现以来，由于其具有独特的光电子特性，氮掺杂氧化石墨烯已被广泛用于太阳能电池、锂电池、超级电容以及光学等领域。目前报道的氮掺杂石墨烯或氧化石墨烯通常采用气相沉积法，即把样品至于高温管式炉中并通以氨气作为氮源，在300-900℃高温下进行掺杂反应。本方法是这种方法的有力补充，不需要特定的高温炉和氨气，且更简单，易控制，所得氮掺杂氧化石墨烯的氮含量高；且反应温度低，所得氮掺杂氧化石墨烯结构相比高温反应所得样品结构更完整，将能扩大氮掺杂氧化石墨烯在光电材料方面的应用。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种简易的氮掺杂氧化石墨烯的制备方法和制备装置。本发明通过使用氨水作为氮源、以高压消解罐作为反应室在200±20℃下反应制备氮掺杂氧化石墨烯。与传统方法相比，本发明工艺不需要高温炉等高温处理设备，也不需要稳定的氨气为氮源来完成实验。因此，本发明工艺具有低成本、低温反应的特征。并且，此制备工艺简单、过程容易控制，适宜大规模生产。
本发明的技术方案是：一种制备氮掺杂氧化石墨烯的方法，其特征是以氧化石墨烯为原材料，以氨水为氮源，将氧化石墨烯和氨水分别放在制成的双层石英杯中，其中氧化石墨烯放在双层石英杯上层，氨水加入双层石英杯下层，实现二者的有效分离；双层石英杯装进聚四氟乙烯内杯，聚四氟乙烯内杯密闭；再把聚四氟乙烯内杯装进不锈钢外罐，不锈钢外罐密闭；把高压消解罐放进烘干箱，在200±20℃下恒温反应2-4小时，自然冷却至室温；氧化石墨烯和氨水二者的质量比是2-4:1。
进一步的，采用水管钳作为辅助工具把高压消解罐的不锈钢外盖充分的拧紧。
本发明的有益效果是：目前以氨水为氮源、以高压消解罐为反应室在200℃左右的低温下制备氮掺杂氧化石墨烯的方法从未见报道。用本发明的方法制备的氮掺杂氧化石墨烯，氮含量较高，其氮原子个数百分含量达到11.65%；而氧含量较低，其原子个数百分含量仅为6.66%。
用本发明制备的产品通过以下手段进行结构和性能表征：利用日本JEOL公司生产的JEM-200CX透射电子显微镜(TEM)直接观察产品的形状和尺寸；采用x射线电子能谱仪分析样品的氮掺杂情况。
附图说明
图1是制备样品所需两层石英杯示意图，从图中可见上下分层的石英杯能有效分离氧化石墨烯和氨水。
图2是氧化石墨烯的透射电镜观测结果，从图中可见产品具有相对平整的二维的透明膜状结构。
图3是制备所得的氮掺杂氧化石墨烯透射电镜观测结果，从图中可见产品同样具有相对平整的二维的膜状结构，但其透明度有所下降，并且出现了较为明显的皱褶。
图4是所测试的氧化石墨烯和氮掺杂氧化石墨烯x射线电子能谱图，从图可见原始的氧化石墨烯（GO）在284.6eV和532eV出现了明显碳峰和氧峰，而氮掺杂氧化石墨烯(NGO)则在400eV处多出现了一个明显的氮峰，说明氮原子已经成功掺进了氧化石墨烯。
具体实施方式
以下是本发明的实施例，实施例中所用试剂为化学纯。
自行设计一个双层的石英杯，以氧化石墨烯为原材料，以氨水为氮源，把30mg氧化石墨烯放在双层石英杯上层，10ml氨水加入双层石英杯下层；把双层石英杯装进聚四氟乙烯内杯，聚四氟乙烯内杯密闭；再把聚四氟乙烯内杯装进不锈钢外罐，用水管钳把不锈钢外罐的不锈钢外盖拧紧；把高压消解罐放进烘干箱，在200℃下恒温反应3小时，自然冷却至室温，即得到所需的氮掺杂氧化石墨烯。
本发明所述的专用的反应设备，双层石英杯包括上、下两层分离结构，是圆形容器；聚四氟乙烯内杯容纳双层石英杯、不锈钢外罐容纳聚四氟乙烯内杯，不锈钢外罐采用不锈钢外盖且为密闭结构，即不锈钢外盖充分地拧紧。
双层石英杯分离结构可以有二种形式：其一是通过聚四氟乙烯网隔离，或者是双层石英杯的侧壁上通过石英杆连接。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
自行设计一个双层的石英杯，以氧化石墨烯1为原材料，以氨水2为氨源，把30mg氧化石墨烯1放在双层石英杯上层，10ml氨水2加入双层石英杯下层，实现氧化石墨烯1和氨水2的有效分离，不需额外处理多余的氨水；把双层石英杯装进100ml规格的聚四氟乙烯内杯，再把聚四氟乙烯内杯装进不锈钢外罐，并以水管钳为辅助工具把不锈钢外罐的不锈钢外盖拧紧。制备样品所需两层石英杯示意图见图1。
把装好样品的消解罐放进普通的烘干箱，在200℃下恒温反应3小时，自然冷却至室温，即得到所需的氮掺杂氧化石墨烯。把氧化石墨烯和氮掺杂氧化石墨烯进行透射电镜观测，结果分别见图2和图3。
把氧化石墨烯和制备所得的氮掺杂氧化石墨烯用x射线电子能谱仪进行分析，样品的电子能谱结果见图4。
进一步的，把装好样品的消解罐放进普通的烘干箱，在180℃或220℃恒温反应2小时或4小时亦可，得到的样品与上述无显著区别。
虽然本发明已有技术方案和较佳实施例陈述如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变化、更替与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (4)
1.一种制备氮掺杂氧化石墨烯的方法，其特征是以氧化石墨烯为原材料，以氨水为氮源，将氧化石墨烯和氨水分别放在制成的双层石英杯中，双层石英杯分离结构有二种形式：其一是通过聚四氟乙烯网隔离，或者是双层石英杯的侧壁上通过石英杆连接；其中氧化石墨烯放在双层石英杯上层，氨水加入双层石英杯下层，实现二者的有效分离；双层石英杯装进聚四氟乙烯内杯，聚四氟乙烯内杯密闭；再把聚四氟乙烯内杯装进不锈钢外罐，不锈钢外罐密闭，把不锈钢外罐放进烘干箱，在200±20℃下恒温反应2-4小时，自然冷却至室温；氧化石墨烯和氨水二者的质量比是2-4:1。
2.根据权利要求1所述的制备氮掺杂氧化石墨烯的方法，其特征是以氧化石墨烯为原材料，以氨水为氮源，把30mg氧化石墨烯放在双层石英杯上层，10ml氨水加入双层石英杯下层；把双层石英杯装进聚四氟乙烯内杯，聚四氟乙烯内杯密闭；再把聚四氟乙烯内杯装进不锈钢外罐，用水管钳把不锈钢外罐的盖子拧紧，把不锈钢外罐放进烘干箱，在200℃下恒温反应3小时，自然冷却至室温。
3.制备氮掺杂氧化石墨烯的设备，其特征是包括双层石英杯和高压消解罐，其中高压消解罐包括聚四氟乙烯内杯和不锈钢外罐，所述双层石英杯包括上、下两层分离结构，所述聚四氟乙烯内杯容纳双层石英杯、不锈钢外罐容纳聚四氟乙烯内杯，所述聚四氟乙烯内杯采用聚四氟乙烯盖子，不锈钢外罐采用不锈钢外盖且为密闭结构，即不锈钢外盖充分地拧紧；双层石英杯分离结构有二种形式：其一是通过聚四氟乙烯网隔离，或者是双层石英杯的侧壁上通过石英杆连接。
4.根据权利要求3所述的制备氮掺杂氧化石墨烯的设备，其特征是所述石英杯为圆形容器。
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