CN105731443A - 无模板一步法制备高比例石墨型氮掺杂石墨烯管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无模板一步法制备高比例石墨型氮掺杂石墨烯管的方法。以三聚氰胺为反应原料，硅粉为辅料，硝酸镍为催化剂，采用一步化学气相反应法，将真空气氛炉升温至1200～1250℃，保温20～30min后，再通入甲烷气体5～10分钟，关闭电源，随炉冷却至室温。本发明方法工艺简单、易于控制，避免了模板法复杂的工序及在去除模板过程中对管结构的破坏；所得氮掺杂石墨烯管纯度高、结构均匀，重复性良好，管径为200～300nm,管壁厚6～8nm，产物中的氮掺杂构型以石墨型氮为主，该氮构型能够有效提高产物的电学性能，适用于新型真空微电子器件、纳米光电子器件以及超级电容器等领域。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种无模板、一步化学气相反应法制备高比例石墨型氮掺杂石墨烯管的方法。
背景技术
石墨烯是由碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，是构建其他维度碳材料的基本单元。近年来，石墨烯已迅速成为材料科学、化学、凝聚态物理等领域的热点材料。为了拓展石墨烯材料的应用领域，研究者常通过对石墨烯进行掺杂改性的方法来调控其性能。大量的理论和实验工作表明：在石墨烯片层中引入N、B等原子，可以有效实现石墨烯从零带隙的半金属到半导体的转变，形成n-型或p-型掺杂的石墨烯，拓展了其在电子学、电催化、场发射等领域的应用。目前，研究最为广泛的是N掺杂片状石墨烯的制备及其应用。Ortiz-Medina等人采用化学气相沉积法制备出氮掺杂石墨烯纳米带，并研究了其电子传输性能(J.Ortiz-Medina,M.L.García-Betancourt,X.T.Jia.Adv.Funct.Mater.2013,23,3755–3762.)；中国发明专利(ZL201410242206.5，一种氮掺杂石墨烯片及制备方法和应用)，提供了一种以氨水为氮源，两步法制备氮掺杂石墨烯片的方法，所得产物具有优异的电化学性能；中国发明专利(ZL201410474600.1)公开了一种冲击波处理碳酸盐制备氮掺杂石墨烯的方法，所得氮掺杂石墨烯具有良好的氧化还原活性；中国发明专利(ZL201310639683.0,以聚多巴胺为原料制备氮掺杂石墨烯的方法),提供了一种以聚多巴胺为原料，以泡沫镍为催化剂及模板，制备氮掺杂石墨烯的方法，且N的XPS谱图显示，氮掺杂的形式单一，是吡咯型N。很多研究者进一步提出，氮掺杂对石墨烯性能的影响其本质上取决于氮原子在石墨烯中的键构型状态。在氮掺杂石墨烯中，有几种不同N的构型状态，主要包括吡啶型N、吡咯型N、石墨型N等。不同氮的构型态能使氮掺杂石墨烯呈现出不同的电子传输性能。其中石墨型氮保持了碳原子的sp2杂化，能够提供离域电子，从而增强石墨烯的导电性。Liu等人认为，石墨型的氮构型对于氮掺杂复合催化剂的氧还原活性的稳定性有特别的贡献(Liu,X.Li,P.Ganesan,etal.Studiesofoxygenreductionreactionactivesitesandstabilityofnitrogen-modifiedcarboncompositecatalystsforPEMfuelcells[J].Electrochim.Acta.2010,55:2853–2858.)；Li等人报道，随着石墨型氮元素含量的增加，氮掺杂石墨烯的氧化还原活性也相应的提高(Q.Li,P.Xu,W.Gao,S.G.Ma,G.Q.Zhang,R.G.Cao,J.Cho,H.L.Wang,G.Wu,Adv.Mater.2014,26,1378–1386)；Soin等人研究表明氮掺杂石墨烯纳米片中石墨型N的含量越高，产物的场发射性能越优异(N.Soin,S.S.Roy,S.Roy,K.S.Hazra,D.S.Misra,T.H.Lim,C.J.Hetherington,J.A.McLaughlin,J.Phys.Chem.C2011,115,5366–5372)。D.Usachov等人致力于研究一种转化方法，将氮掺杂石墨烯中的吡啶型N转换为石墨型N,以达到调节载流子浓度的目的(Usachov,D.；Fedorov,A.；Vilkov,O..NanoLett.2014,14,4982-4988)。以上研究表明，高比例的石墨型N对提高氮掺杂石墨烯产物的电学性能起着至关重要的作用。然而已有文献报道的所获得的氮掺杂石墨烯产物中，氮的键合构型多以吡啶型N的含量居多，而石墨型的N含量较少。目前尚未见获得以石墨型N构型为主的氮掺杂石墨烯的报道。
二维石墨烯片层能通过卷曲、堆叠形成无缝管状结构，并具有不同的管壁层数及不同尺度的管径。石墨烯纳米管是一种超轻材料，适宜加工成各种亚微米级的器件，加之，在管内存在纳米限域效应，将大幅度提高本身的光学、导热和导电的性能，可用于光化学、化学传感器、能源存储与转化等诸多领域。氮掺杂石墨烯管结构，兼具了氮掺杂石墨烯的固有物化属性和管结构的结构特点，在氮掺杂石墨烯一维纳米结构家族(如纳米带、纳米管等)中占有重要地位，人们对其制备研究产生了极大的兴趣。但低成本生产高质量的石墨烯管、氮掺杂石墨烯管一直是工业上的难点。目前制备石墨烯管、氮掺杂石墨烯管的方法基本是采用模板法：Wang等人以Ni纳米线作为模板，乙烯为前驱体，采用化学气相沉积法(CVD)在750℃附近制备出了石墨烯纳米管(R.Wang,Y.F.Hao,Z.Q.Wang,H.Gong,J.T.L.Thong,NanoLett.2010,10,4844–4850)，但是在去除Ni纳米线模板时，会导致管结构的坍塌；Li等人以金属-有机物框架作为模板，采用DCDA和醋酸铁高温石墨化过程制备出氮掺杂石墨烯管，并研究了其氧化还原反应活性(Q.Li,P.Xu,W.Gao,S.G.Ma,G.Q.Zhang,R.G.Cao,J.Cho,H.L.Wang,G.Wu,Adv.Mater.2014,26,1378–1386)；中国发明专利(ZL201410085869,以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法)，公布了一种以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法，包括真菌的接种、菌丝的分离和热处理以及煅烧等过程。中国发明专利(ZL201210019901.6,三维石墨烯管及其制备方法)提供了一种以金属线或金属丝作为催化剂模板，通过化学气相沉积法使碳源在金属线或金属丝的外表面生成石墨烯覆层，然后通过刻蚀去除金属线或金属丝，获得石墨烯管结构。中国发明专利(申请公告号CN102642827A制备石墨烯管与石墨烯条带的方法)公布的方法为：以网状实心管材料为衬底，以含碳化合物为碳源气体，进行化学气相沉积，得到包覆于网状材料表面的石墨烯管，随后在产物表面覆盖一层保护材料后对管芯进行刻蚀，得到石墨烯管，若直接对产物进行刻蚀，管结构将塌陷为石墨烯条带。
不难看出，目前报道的石墨烯管结构的制备均需借助特殊模板来进行，在合成工序后引入酸洗、刻蚀过程去除框架模板，才能获得管状产物，且在去除模板的过程中容易对管结构造成破坏，在一定程度上制约了对其性能的研究。因此，开发出一种简单、高效、低成本的无模板一步法制备高比例石墨型氮掺杂石墨烯管的新工艺，是一项非常有意义的研究工作，目前尚未见相关报道。
发明内容
本发明的目的是改进现有模版法制备氮掺杂石墨烯管的工艺复杂、步骤繁琐、产物稳定性差、石墨烯管的纯度不高，且产物中石墨型氮掺杂的含量比例较低的技术问题，提供一种简单、高效、低成本的无模板法制备以石墨型N掺杂为主的氮掺杂石墨烯管的新方法。本发明提出的无模板一步化学气相反应法，以三聚氰胺为碳源和氮源，甲烷为补充碳源，硅粉为辅料，在真空气氛炉内，实现高比例石墨型氮掺杂石墨烯管的制备。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
1)选用固态三聚氰胺为反应原料，硅粉为辅料，按摩尔比为1.5～2：1称取三聚氰胺与硅粉，并将其置于玛瑙研钵中混合研磨40min；
2)将石墨基片于超声波清洗机中清洗烘干后，浸入0.01mol/L的Ni(NO3)2乙醇溶液5分钟，取出自然晾干，得到浸有催化剂的基片；
3)将混合原料放在两层碳布上，浸有催化剂的石墨基片放在混合原料的上方，与原料间隔3～5mm，然后将其一起放入石墨反应室，将石墨反应室放于真空气氛炉内；
4)对真空气氛炉抽真空至50～80Pa，以15℃/min的升温速率将炉温升至1200～1250℃，保温20～30min，以0.10～0.15sccm的速率通入甲烷气体，通气时间为5～10分钟，关闭通气阀门，停止通入甲烷，关闭电源，随炉冷却至室温，实现高比例石墨型氮掺杂石墨烯管的制备。
本发明所公开的无模板、一步化学气相反应法制备氮掺杂石墨烯管的方法，与现有技术相比，其优越性在于：
(1)不需要模板，工艺简单、高效，避免了模板法中模板的制备去除等工序，而且避免了在去除模板的过程中可能对管结构造成的破坏；一步化学气相反应法，易于控制，产物纯度高、结构均匀，重复性良好，容易实现批量生产；
(2)所获得的氮掺杂石墨烯管，由一系列石墨烯间隔层构成，具有更大的比表面积，很好的石墨化程度；此外，管径为200～300nm，显著大于已有碳纳米管的管径，更有助于管结构在电化学能量存储、医学药物传输等领域的应用；
(3)产物中氮掺杂主要以石墨型氮形式存在，以及极少量的吡啶型氮，在氮掺杂石墨烯产物中，获得如此高比例的石墨型氮，尚属首次。石墨型氮能够有效的提高石墨烯的电学性能，使得所获得的氮掺杂石墨烯管在场发射、电催化等领域体现出突出性能和良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1所制得的N掺杂石墨烯管的SEM照片。
图2为实施例1所制得的N掺杂石墨烯管的TEM及HRTEM照片。
图3为实施例1所制得的N掺杂石墨烯管的XPS总谱图及C1s、N1s谱图。
具体实施方式
以下，参照附图，并结合下述实施方式对本发明作进一步详细的说明，但是，附图及具体实施例仅是示例性的，不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
选用市售分析纯三聚氰胺为反应原料，纯度为99.5％的Si粉为辅料，称取4.725g三聚氰胺和0.7gSi粉辅料，放入玛瑙研钵中研磨40min；选用直径为7cm，厚度为1mm且表面光洁的圆形石墨片作为反应基片，将石墨基片在超声波清洗机中清洗烘干后，浸入到预先配制的摩尔浓度为0.01mol的Ni(NO3)2乙醇溶液5min，取出于空气中晾干备用；将研磨得到的混合原料放置在碳布上，浸有催化剂的石墨基片放在混合原料的上方，与原料间隔3～5mm，置于石墨反应室内，然后将石墨反应室放入真空可控气氛炉内；启动真空系统，对真空可控气氛炉进行抽真空至50～80Pa，将高纯氩气通入真空炉并使炉内压力接近常压，再次启动机械泵，抽取真空，此过程重复三次，使炉内压力保持在50～80Pa；以15℃/min的升温速率将炉温先升至至1250℃，保温25min，再以0.10～0.15sccm的速率通入甲烷气体，通气时间为10分钟，关闭通气阀门，停止通入氨气，关闭电源，随炉冷却至室温，实现高比例石墨型氮掺杂石墨烯管的制备。产物的SEM、TEM、HRTEM、XPS表征结果见图1、图2、图3。结果表明，所得高比例石墨型氮掺杂石墨烯管产率较高，管径为200～300nm,管壁厚6～8nm，具有明显的石墨烯间隔层结构，XPS的C1s谱图可分为两组峰，峰的位置分别在284.8eV和285.7eV，分别对应于C＝C和C＝N键，说明氮原子成功掺入到晶格中，形成氮掺杂石墨烯纳米管。N1s谱图可分为位于401.3eV的主峰和位于398.5eV的弱峰，分别归属于石墨型氮和吡啶型氮。由峰的强弱或峰的面积可知，所获得氮掺杂石墨烯纳米管中，N原子掺杂进入石墨烯之后，主要以石墨型氮形式存在。
Claims (3)
1.无模板一步法制备高比例石墨型氮掺杂石墨烯管的方法，其特征在于，主要制备过程包括：
以固态三聚氰胺为反应原料，硅粉为辅料，将反应原料和辅料置于玛瑙研钵中混合研磨40min；
将石墨基片于超声波清洗机中清洗烘干后，浸入0.01mol/L的Ni(NO3)2乙醇溶液5分钟，取出自然晾干；
将碳布、研磨得到的混合原料、石墨基片一起放入石墨反应室，将石墨反应室置于真空气氛炉内；
对真空气氛炉抽真空至50～80Pa，以15℃/min的升温速率将炉温升至1200～1250℃，保温20～30min，再以0.10～0.15sccm的通气速率通入甲烷气体，通气时间为5～10分钟，关闭通气阀门，停止通入甲烷，关闭电源，随炉冷却至室温，实现无模板一步法制备高比例石墨型氮掺杂石墨烯管。
2.根据权利要求1所述的高比例石墨型氮掺杂石墨烯管的制备方法，其特征在于：所用三聚氰胺反应原料与硅粉辅料的摩尔比为：1.5～2：1。
3.根据权利要求1所述的高比例石墨型氮掺杂石墨烯管的制备方法，其特征在于：混合原料和带有催化剂的石墨基片在石墨反应室内的放置位置为：混合原料放在两层碳布上，浸有催化剂的石墨基片放在混合原料的上方，与原料间隔3～5mm。
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