CN107140612B - 一种制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备磷烯‑氮掺杂碳复合材料的方法，包括：将磷烯和含氮有机物一同置于溶液中均匀混合，从而得到分散均匀的悬浮液；向所述悬浮液中加入氧化性化合物，反应0.1～72h，然后对反应产物进行固液分离，并对固液分离得到的固体进行干燥，从而得到复合物前驱体；将所述复合物前驱体置于充有保护气体的高温炉中进行煅烧，煅烧温度为500～1100℃，保温时间为1～72h，然后降温至室温，从而制得磷烯‑氮掺杂碳复合材料。本发明不仅具有良好的导电性、导热性、稳定性、柔性、赝电容性能和吸附性能，而且操作简单、对设备要求低、产品质量好、产率高，产品可广泛用到电子通信、交通运输等领域。
Description
技术领域
本发明涉及磷烯复合材料领域，尤其涉及一种制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法。
背景技术
磷烯材料是由单层磷原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的新型磷纳米材料，其特殊的微观稳定结构使其具有优异的电化学性能和热传导性能，因此磷烯材料在电子通信、交通运输等领域具有广阔应用前景。
磷烯材料因磷原子层间具有较强的范德华力和较大的比表面积，因此易于发生层叠现象而形成类似薄膜的片状结构，这种结构会导致比表面积大幅减小，从而会严重损失磷烯特有的吸附、导电、导热等优异性能。此外，磷烯较强的化学活性使其容易被氧气、水等物质侵蚀而失去原有性能。磷烯的机械性能较弱，在实际应用过程中易受到外力而受到破坏。
在现有技术中，制备的磷烯材料比表面积较小，机械性能也较弱，另外对磷烯的层叠现象和容易被氧化侵蚀的缺点没有很好的处理方法，且没有出现磷烯-氮掺杂碳复合材料及其合成方法。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，可以将氮元素和碳元素一同掺杂到磷烯中，使复合材料整体具有氮、碳和磷烯的三重优点，不仅比表面积大，机械性能好，具有良好的导电性、导热性、稳定性、柔性、赝电容性能和吸附性能，而且操作简单、对设备要求低、产品质量好、产率高，产品可广泛用到电子通信、交通运输等领域。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤A、将磷烯和含氮有机物一同置于溶液中均匀混合，磷烯的用量占磷烯和含氮有机物总质量的5％～95％，从而得到分散均匀的悬浮液；
步骤B、按照氧化性化合物用量:所述含氮有机物用量＝0.001～5:1的摩尔比，向所述悬浮液中加入氧化性化合物，并反应0.1～72h，然后对反应产物进行固液分离，并对固液分离得到的固体进行干燥，从而得到复合物前驱体；
步骤C、将所述复合物前驱体置于充有保护气体的高温炉中进行煅烧，煅烧温度为500～1100℃，保温时间为1～72h，再降温至室温，从而制得磷烯-氮掺杂碳复合材料。
优选地，所述的含氮有机物为苯胺、吡咯、三聚氰胺、二乙胺、三甲胺、三乙胺、尿素、吡啶、嘧啶、苯甲酰胺、对氨基苯甲醛、邻氨基苯甲醛、间氨基苯甲醛中的至少一种。
优选地，所述溶液为水、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、四氢呋喃、四氯化碳、乙腈、乙醚、石油醚、戊烷、己烷、二硫化碳、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烷、乙酸乙酯、丁酮、苯、环己烷、N,N-二甲基甲酰胺、甲醛、硫酸、盐酸、硝酸、乙酸、丙酸、氨水、水合肼、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
优选地，所述悬浮液的浓度为0.1～10mg/mL。
优选地，所述氧化性化合物为过硫酸铵、草酸亚铁、醋酸钴、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸锰、氯化铁、氯化亚铁、二氧化锰、过氧化氢、重铬酸钾、重铬酸钠中的至少一种。
优选地，所述保护气体为氮气、氦气、氩气、二氧化碳中的至少一种。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所提供的制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法以含氮有机物作为氮源和碳源，并且在含氮有机物与磷烯混合后，通过与氧化性化合物反应在磷烯表面聚合含氮有机物，形成复合物前驱体；然后在保护气体环境中通过对复合物前驱体进行煅烧，并控制煅烧温度和保温时间，从而将氮元素和碳元素掺杂到磷烯中，形成了磷烯-氮掺杂碳复合材料。与单纯的磷烯不同，氮元素和碳元素的掺杂不仅使该磷烯-氮掺杂碳复合材料具有很好的导电性，而且使该磷烯-氮掺杂碳复合材料具有良好的赝电容性能和吸附性能等功能性体征，因此该磷烯-氮掺杂碳复合材料综合发挥了氮、碳和磷烯的三者的优异性能，不仅比表面积大，机械性能好，具有良好的导电性、导热性、稳定性、柔性、赝电容性能和吸附性能，而且其制备方法操作简单、对设备要求低、产品质量好、产率高，可广泛用到电子通信、能源转换、交通运输等领域。
具体实施方式
下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面对本发明所提供的制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法进行详细描述。
一种制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤A、将磷烯和含氮有机物一同置于溶液中均匀混合，磷烯的用量占磷烯和含氮有机物总质量的5％～95％，从而得到分散均匀的浓度为0.1～100g/L的悬浮液。其中，所述的含氮有机物为苯胺、吡咯、三聚氰胺、二乙胺、三甲胺、三乙胺、尿素、吡啶、嘧啶、苯甲酰胺、对氨基苯甲醛、邻氨基苯甲醛、间氨基苯甲醛中的至少一种。所述溶液为水、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、四氢呋喃、四氯化碳、乙腈、乙醚、石油醚、戊烷、己烷、二硫化碳、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烷、乙酸乙酯、丁酮、苯、环己烷、N,N-二甲基甲酰胺、甲醛、硫酸、盐酸、硝酸、乙酸、丙酸、氨水、水合肼、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
步骤B、按照氧化性化合物用量:所述含氮有机物用量＝0.001～5:1的摩尔比，向所述悬浮液中加入氧化性化合物，并反应0.1～72h，然后对反应产物进行固液分离，并对固液分离得到的固体进行干燥(例如：可以在40～150℃下真空干燥至恒重)，从而得到复合物前驱体。其中，所述氧化性化合物为过硫酸铵、草酸亚铁、醋酸钴、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸锰、氯化铁、氯化亚铁、二氧化锰、过氧化氢、重铬酸钾、重铬酸钠中的至少一种。
步骤C、将所述复合物前驱体置于充有保护气体的高温炉中进行煅烧，煅烧温度为500～1100℃，保温时间为1～72h，然后降温至室温，从而制得磷烯-氮掺杂碳复合材料。其中，所述保护气体为氮气、氦气、氩气、二氧化碳中的至少一种。
具体地，本发明所提供的制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法以含氮有机物作为氮源和碳源，并且在将含氮有机物与磷烯按特定比例混合后，通过与氧化性化合物反应在磷烯表面聚合含氮有机物，形成复合物前驱体；然后在保护气体环境中通过对复合物前驱体进行煅烧，并控制煅烧温度和保温时间，从而将氮元素和碳元素掺杂到磷烯中，形成了磷烯-氮掺杂碳复合材料。与单纯的磷烯不同，氮元素和碳元素的掺杂不仅使该磷烯-氮掺杂碳复合材料具有很好的导电性，而且使该磷烯-氮掺杂碳复合材料具有良好的赝电容性能和吸附性能等功能性体征，因此该磷烯-氮掺杂碳复合材料综合发挥了氮、碳和磷烯的三者的优异性能，不仅比表面积大，机械性能好，具有良好的导电性、导热性、稳定性、柔性、赝电容性能和吸附性能，而且其制备方法操作简单、对设备要求低、产品质量好、产率高，可广泛用到电子通信、能源转换、交通运输等领域。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法进行详细描述。
实施例1
一种制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤a1、将1g磷烯和9g苯胺一同置于水中均匀混合，从而得到分散均匀的浓度为0.15g/L的悬浮液。
步骤b1、向所述悬浮液中加入0.08g氯化铁，并反应0.2h，然后对反应产物进行固液分离，并对固液分离得到的固体在40℃真空干燥至恒重，从而得到复合物前驱体。
步骤c1、将所述复合物前驱体置于充有氮气的高温炉中进行煅烧，煅烧温度为1100℃，保温时间为2h，然后自然降温至室温，从而制得磷烯-氮掺杂碳复合材料。
具体地，现有技术中普通磷烯材料的比表面积约为60m2/g，而本发明实施例1所提供的磷烯-氮掺杂碳复合材料的比表面积大于2000m2/g，并且环境稳定性和机械强度也远高于普通磷烯材料。
实施例2
一种制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤a2、将12.5g磷烯和9g吡咯一同置于甲醇和乙醇的混合液中均匀混合，从而得到分散均匀的浓度为5g/L的悬浮液。
步骤b2、向所述悬浮液中加入6.1g过硫酸铵，并反应10h，然后对反应产物进行固液分离，并对固液分离得到的固体在60℃真空干燥至恒重，从而得到复合物前驱体。
步骤c2、将所述复合物前驱体置于充有氩气的高温炉中进行煅烧，煅烧温度为900℃，保温时间为15h，然后自然降温至室温，从而制得磷烯-氮掺杂碳复合材料。
实施例3
一种制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤a3、将2.5g磷烯和4g乙二胺一同置于四氯化碳和丙酮的混合液中均匀混合，从而得到分散均匀的浓度为25g/L的悬浮液。
步骤b3、向所述悬浮液中加入5.8g二氧化锰，并反应24h，然后对反应产物进行固液分离，并对固液分离得到的固体在80℃真空干燥至恒重，从而得到复合物前驱体。
步骤c3、将所述复合物前驱体置于充有二氧化碳的高温炉中进行煅烧，煅烧温度为800℃，保温时间为24h，然后自然降温至室温，从而制得磷烯-氮掺杂碳复合材料。
实施例4
一种制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤a4、将2.5g磷烯和1.5g三乙胺一同置于石油醚和二氯乙烷的混合液中均匀混合，从而得到分散均匀的浓度为50g/L的悬浮液。
步骤b4、向所述悬浮液中加入3.8g氯化亚铁，并反应36h，然后对反应产物进行固液分离，并对固液分离得到的固体在100℃真空干燥至恒重，从而得到复合物前驱体。
步骤c4、将所述复合物前驱体置于充有氦气的高温炉中进行煅烧，煅烧温度为700℃，保温时间为36h，然后自然降温至室温，从而制得磷烯-氮掺杂碳复合材料。
实施例5
一种制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤a5、将5g磷烯和1.25g对氨基苯甲醛一同置于N,N-二甲基甲酰胺中均匀混合，从而得到分散均匀的浓度为75g/L的悬浮液。
步骤b5、向所述悬浮液中加入1.3g过氧化氢，并反应48h，然后对反应产物进行固液分离，并对固液分离得到的固体在120℃真空干燥至恒重，从而得到复合物前驱体。
步骤c5、将所述复合物前驱体置于充有氩气和氦气的高温炉中进行煅烧，煅烧温度为600℃，保温时间为48h，然后自然降温至室温，从而制得磷烯-氮掺杂碳复合材料。
实施例6
一种制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤a6、将5g磷烯和0.27g间氨基苯甲醛一同置于氨水中均匀混合，从而得到分散均匀的浓度为100g/L的悬浮液。
步骤b6、向所述悬浮液中加入3.25g重铬酸钾，并反应72h，然后对反应产物进行固液分离，并对固液分离得到的固体在150℃真空干燥至恒重，从而得到复合物前驱体。
步骤c6、将所述复合物前驱体置于充有氮气和氦气的高温炉中进行煅烧，煅烧温度为500℃，保温时间为72h，然后自然降温至室温，从而制得磷烯-氮掺杂碳复合材料。
综上可见，本发明实施例可以将氮元素和碳元素一同掺杂到磷烯中，使复合材料整体具有氮、碳和磷烯的三重优点，不仅比表面积大，机械性能好，具有良好的导电性、导热性、稳定性、柔性、赝电容性能和吸附性能，而且操作简单、对设备要求低、产品质量好、产率高，产品可广泛用到电子通信、交通运输等领域。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、将磷烯和含氮有机物一同置于溶液中均匀混合，磷烯的用量占磷烯和含氮有机物总质量的5％～95％，从而得到分散均匀的悬浮液；
步骤B、按照氧化性化合物用量:所述含氮有机物用量＝0.001～5:1的摩尔比，向所述悬浮液中加入氧化性化合物，并反应0.1～72h，然后对反应产物进行固液分离，并对固液分离得到的固体进行干燥，从而得到复合物前驱体；
步骤C、将所述复合物前驱体置于充有保护气体的高温炉中进行煅烧，煅烧温度为500～1100℃，保温时间为1～72h，再降温至室温，从而制得磷烯-氮掺杂碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，其特征在于，所述的含氮有机物为苯胺、吡咯、三聚氰胺、二乙胺、三甲胺、三乙胺、尿素、吡啶、嘧啶、苯甲酰胺、对氨基苯甲醛、邻氨基苯甲醛、间氨基苯甲醛中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，其特征在于，所述溶液为水、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、四氢呋喃、四氯化碳、乙腈、乙醚、石油醚、戊烷、己烷、二硫化碳、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烷、乙酸乙酯、丁酮、苯、环己烷、N,N-二甲基甲酰胺、甲醛、硫酸、盐酸、硝酸、乙酸、丙酸、氨水、水合肼、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，其特征在于，所述悬浮液的浓度为0.1～100g/L。
5.根据权利要求1或2所述的制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，其特征在于，所述氧化性化合物为过硫酸铵、硝酸铁、氯化铁、二氧化锰、过氧化氢、重铬酸钾、重铬酸钠中的至少一种。
6.根据权利要求1或2所述的制备磷烯-氮掺杂碳复合材料的方法，其特征在于，所述保护气体为氮气、氦气、氩气、二氧化碳中的至少一种。
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