CN103896254A - 一种氮掺杂石墨烯的制备方法 - Google Patents

一种氮掺杂石墨烯的制备方法 Download PDF

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吴凤
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Abstract

本发明属于石墨烯领域，其公开了一种氮掺杂石墨烯的制备方法，包括步骤：将氧化石墨加入到溶剂中超声分散处理，形成0.5-1mg/ml均匀分散的氧化石墨烯溶液，然后加入氮源，搅拌处理，使两者混合均匀，得到氧化石墨烯与氮源的混合溶液；将所述混合溶液放入反应器中，密封后，于240℃-400℃和5-25MPa下进行热处理0.5-5h，卸掉反应器的压力，得到氮掺杂石墨烯。本发明提供的氮掺杂石墨烯制备方法，通过在液相将氧化石墨烯与氮源混合，混合较为均匀，再通过临界流体瞬间释放的压力，破坏石墨烯层与层之间的范德华力，防止石墨烯的团聚，从而得到石墨烯与氮源混合均匀的氮掺杂石墨烯。

Description

一种氮掺杂石墨烯的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯领域，尤其涉及一种氮掺杂石墨烯的制备方法。
背景技术
自从英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等在2004年制备出石墨烯材料，由于其独特的结构和光电性质受到了人们广泛的重视。单层石墨由于其大的比表面积，优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数而被认为是理想的材料。如：①高强度，杨氏摩尔量，(1,100GPa)，断裂强度：(125GPa)；②高热导率，(5,000W/mK)；③高导电性、载流子传输率，(200,000cm2/V·s)；④高的比表面积，(理论计算值：2,630m2/g)。尤其是其高导电性质，大的比表面性质和其单分子层二维的纳米尺度的结构性质，可在超级电容器和锂离子电池中用作电极材料。到目前为止，制备石墨烯的方法有许多种，其中氧化-还原法是一种能够大量制备石墨烯且产率较高的一种方法，整个过程涉及到将石墨氧化成氧化石墨，氧化石墨剥落产生的氧化石墨烯，再通过化学或热还原为石墨烯。
当氧化石墨被还原成石墨烯时，一般含氧量还在10%左右，作为电极材料来说，使得其电导率和电化学稳定性方面有一定的限制，当把氧用氮取代之后，生成的P掺杂的石墨烯，不仅可提高其稳定性，在电导性能方面也得到了增强。
一般直接通过固体氮源或气体氮源与氧化石墨加热的方法制备氮掺杂石墨烯，使得氮源与石墨烯的混合不够均匀。
发明内容
本发明所要解决的问题在于提供一种氮源与石墨烯的混合均匀的氮掺杂石墨烯制备方法。
本发提供的一种氮掺杂石墨烯的制备方法，可使得石墨烯与氮源较为均匀的混合，且制备的氮掺杂的石墨烯不容易团聚。通过将氧化石墨与固体氮源先通过液相超声，达到较均匀的分散，然后将混合溶液放入高温高压反应釜中，然后再加热加压到溶剂的临界温度，反应一定时间后，卸掉压力，得到氮掺杂石墨烯粗产品，然后通过乙醇反复冲洗，过滤，干燥得到氮掺杂石墨烯。
具体技术方案如下：
一种氮掺杂石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
将氧化石墨加入到溶剂中超声分散处理，形成0.5-1mg/ml均匀分散的氧化石墨烯溶液，然后加入氮源，搅拌处理，使两者混合均匀，得到氧化石墨烯与氮源的混合溶液；
将所述混合溶液放入反应器中，密封后，于240℃-400℃和5-25MPa下进行热压处理0.5-5h，卸掉反应器的压力，得到氮掺杂石墨烯。
所述氮掺杂石墨烯的制备方法，优选，所述溶剂为水、乙醇或DMF（N,N-二甲基甲酰胺）。
所述氮掺杂石墨烯的制备方法，优选，所述超声分散处理的时间为30min-2h。
所述氮掺杂石墨烯的制备方法，优选，所述氮源为质量浓度20%-50%的固体氮源溶液，所述固体氮源为尿素、硝酸铵或碳酸铵；所述氧化石墨与氮源的质量比为1:1-5:1。
所述氮掺杂石墨烯的制备方法，优选，所述反应器为高温高压反应釜。
所述氮掺杂石墨烯的制备方法，优选，所述热压处理后，还对制得的氮掺杂石墨烯进行纯化干燥处理：将热处理后得到的产物用乙醇反复冲洗、过滤，随后于60℃下真空干燥，得到纯化的氮掺杂石墨烯。
本发明提供的氮掺杂石墨烯制备方法，通过在液相将氧化石墨烯与氮源混合，混合较为均匀，再通过临界流体瞬间释放的压力，破坏石墨烯层与层之间的范德华力，防止石墨烯的团聚，从而得到石墨烯与氮源混合均匀的氮掺杂石墨烯；同时，这种方法制得的氮掺杂石墨烯具有较好的电导率。
附图说明
图1为实施例1制得的氮掺杂石墨烯的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。
实施例1
本发明一种氮掺杂石墨烯制备方法如下：
（1）氧化石墨烯与尿素的混合溶液：将氧化石墨加入到水中超声分散0.5h，形成1mg/ml均匀分散的氧化石墨烯溶液，然后加入质量浓度50%的尿素水溶液，搅拌10分钟，使两者混合均匀，得到氧化石墨烯与尿素的混合溶液。
（2）氮掺杂的石墨烯：将所得到的（1）中混合溶液放入高温高压反应釜中，将其密封好，然后加热到180℃，反应30min，然后将其加热到400℃，压力在25MPa下，保持60min，缓慢卸掉反应釜内的压力，得到氮掺杂石墨烯初产品，将此用乙醇反复冲洗，过滤，60℃真空干燥得到氮掺杂石墨烯。
图1为实施例1制得的氮掺杂石墨烯的SEM图。由图1可知，氮掺杂石墨烯有一定的褶皱，并无出现团聚。
实施例2
本发明一种氮掺杂石墨烯制备方法如下：
（1）氧化石墨烯与硝酸铵的混合溶液：将氧化石墨加入到乙醇溶液中超声分散1h，形成0.8mg/ml均匀分散的氧化石墨烯溶液，然后加入质量浓度40%的硝酸铵乙醇溶液，搅拌8分钟，使两者混合均匀，得到氧化石墨烯与硝酸铵的混合溶液。
（2）氮掺杂的石墨烯：将所得到的（1）中混合溶液放入高温高压反应釜中，将其密封好，然后加热到110℃，反应25min，然后将其加热到245℃，压力在6MPa下，保持30min，卸掉反应釜内的压力，得到氮掺杂石墨烯初产品，将此用乙醇反复冲洗，过滤，60℃真空干燥得到氮掺杂石墨烯。
实施例3
本发明一种氮掺杂石墨烯制备方法如下：
（1）氧化石墨烯与碳酸铵的混合溶液：将氧化石墨加入到甲醇溶剂中超声分散2h，形成0.5mg/ml均匀分散的氧化石墨烯溶液，然后加入质量浓度20%的碳酸铵甲醇溶液，搅拌5分钟，使两者混合均匀，得到氧化石墨烯与碳酸铵的混合溶液。
（2）氮掺杂的石墨烯：将所得到的（1）中混合溶液放入高温高压反应釜中，将其密封好，然后加热到70℃，反应10min，然后将其加热到240℃，压力在8MPa下，保持10min，卸掉反应釜内的压力，得到氮掺杂石墨烯初产品，将此用乙醇反复冲洗，过滤，60℃真空干燥得到氮掺杂石墨烯。
氮掺杂石墨烯的电导率测试
通过四探针法测定氮掺杂的石墨烯的电导率，测试结果如表1所示。从电导率数据来说，所制备的氮掺杂石墨烯的电导率较高。
表1
实施例 1 2 3
电导率（S/m） 9.93×104 9.84×104 9.80×104
应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将氧化石墨加入到溶剂中超声分散处理，形成0.5-1mg/ml均匀分散的氧化石墨烯溶液，然后加入氮源，搅拌处理，使两者混合均匀，得到氧化石墨烯与氮源的混合溶液；
将所述混合溶液放入反应器中，密封后，于240℃-400℃和5-25MPa下进行热处理0.5-5h，卸掉反应器的压力，到氮掺杂石墨烯。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述溶剂为水、乙醇或N,N-二甲基甲酰胺。
3.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述超声分散处理的时间为30min-2h。
4.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述氮源为质量浓度20%-50%的固体氮源溶液。
5.根据权利要求4所述的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述固体氮源为尿素、硝酸铵或碳酸铵。
6.根据权利要求1、4或5所述的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨与氮源的质量比为1:1-5:1。
7.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述反应器为所述反应器为高温高压反应釜。
8.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述热压处理后，还对制得的氮掺杂石墨烯进行纯化干燥处理：将热压处理后得到的产物用乙醇反复冲洗、过滤，随后于60℃下真空干燥，得到纯化的氮掺杂石墨烯。
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