CN111003707A - 一种基于4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的氮掺杂石墨烯材料的制备方法 - Google Patents

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朱佳平
吴铛
杨晓琳
林若鹏
方佳怡
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Abstract

本发明公开了一种基于4,4’‑偶氮基‑1,2,4‑三唑‑5‑酮的氮掺杂石墨烯材料的制备方法，该方法是将石墨烯分散于N,N’‑二甲基甲酰胺中，加入4,4’‑偶氮基‑1,2,4‑三唑‑5‑酮的N,N’‑二甲基甲酰胺溶液，在50～100℃下加热30～60min，降温至0～4℃，干燥，得到石墨烯包覆的4,4’‑偶氮基‑1,2,4‑三唑‑5‑酮共晶物，将其研磨成粉末，置于管式炉在500～800℃下加热3～5h，得到氮掺杂石墨烯材料。本发明得到的材料中石墨烯均匀包覆在4,4’‑偶氮基‑1,2,4‑三唑‑5‑酮晶体的表面，不需要使用胶黏剂等助剂，完整的保持了4,4’‑偶氮基‑1,2,4‑三唑‑5‑酮晶体的表面性能。

Description

一种基于4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的氮掺杂石墨烯材 料的制备方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，尤其涉及一种基于4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的氮掺杂石墨烯材料的制备方法。
背景技术
石墨烯(G)是平面单层碳原子紧密结合在一起形成的二维蜂窝晶格材料，厚度为0.35nm左右，是世界上最薄的二维材料。
石墨烯的电子穿过没有任何阻力，产生的热量少、导电效率高，是已知导电性能最优异的材料，具有独特的性能，例如，拉伸强度可达130GPa ；载流子迁移率可达15000-25000cm2/Vs(平方厘米每伏秒)，可超过硅片的10倍；热导率可达5000W/mK(瓦每毫导热系数)，是金刚石的3倍；它还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁性等特殊性质。
但是，石墨烯没有能带隙，其电导性不能像传统的半导体一样被控制，而且它表面光滑呈惰性，不利于与其它材料复合。以上缺点限制了石墨烯的应用。
发明内容
本发明提供一种基于4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的氮掺杂石墨烯材料的制备方法，旨在解决石墨烯材料不容易与其它材料复合，导致应用受限制的问题。
本发明提供的一种基于4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的氮掺杂石墨烯材料的制备方法，该方法包括：将石墨烯分散于N,N’-二甲基甲酰胺中，加入4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的N,N’-二甲基甲酰胺溶液，在50～100℃下加热30～60min，降温至0～4℃，干燥，得到石墨烯包覆的4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮共晶物，将其研磨成粉末，置于管式炉在500～800℃下加热3～5h，得到氮掺杂石墨烯材料；其中，石墨烯与4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的N,N’-二甲基甲酰胺溶液中4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的质量比为1:1～10。
优选的是，石墨烯的层数在1～2层，且片径为0.2～100μm。
优选的是，石墨烯与4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的质量比为1:4～8。
优选的是，4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的N,N’-二甲基甲酰胺溶液中4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的浓度为1～5mg/mL。
优选的是，管式炉的加热温度设置为600℃，加热时间为4h。
上述中，石墨烯的N,N’-二甲基甲酰胺分散液的制备采用下述方法：将石墨烯加入到N,N’-二甲基甲酰胺中，搅拌30～90min，超声抖动30～60min，其中，石墨烯与N,N’-二甲基甲酰胺的质量比为1:20～30。
本发明提供的氮掺杂石墨烯材料的制备方法，利用4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮与石墨烯进行反应，得到氮掺杂含量较高的石墨烯材料。该材料中石墨烯均匀包覆在4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮晶体的表面，不需要使用胶黏剂等助剂，完整的保持了偶氮基三唑酮晶体的表面性能。通过4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮热裂解时放出的热量以及释放出N2自由基，进一步地，打开石墨烯的能带隙、C-C键，调整了导电类型，改变了电子结构；提高了自由载流子密度，提高了导电性能和稳定性；引入含氮的官能团，增加了表面吸附金属粒子的活性位，增强了金属粒子与石墨烯的相互作用，扩大了石墨烯的应用。
附图说明
图1是本发明实施例1制备得到的氮掺杂石墨烯材料的扫描电镜测试图；
图2是本发明实施例1制备得到的氮掺杂石墨烯材料的X射线光电子能谱测试图；
图3是本发明实施例1制备得到的氮掺杂石墨烯材料N1s的X射线光电子能谱测试图；
图4是本发明实施例1制备得到的氮掺杂石墨烯材料的C1s的X射线光电子能谱测试图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将0.1 g片径为0 .2μm的石墨烯加入25ml N,N’-二甲基甲酰胺中，在600r/min转速下磁力搅拌60分钟，然后将置于超声分散仪中，超声60分钟，得到4mg/ml的石墨烯溶液。
将0.1 g 4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮融入25ml N,N’-二甲基甲酰胺中，加入上述石墨烯溶液，在100℃下加热30min，降温至0℃，干燥48h，得到石墨烯包覆的4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮共晶物。
将包覆石墨烯的4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮共晶物研磨成粉末，置于管式炉中加热至600℃，保温4h，得到含氮量为7.91％氮掺杂石墨烯材料。
实施例2
将0.1g片径为100μm的石墨烯加入25ml N,N’-二甲基甲酰胺中，在600r/min转速下磁力搅拌60分钟，然后将置于超声分散仪中，超声30分钟，得到4mg/ml的石墨烯溶液。
将0.2g 4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮融入25ml N,N’-二甲基甲酰胺中，加入上述石墨烯溶液，在100℃下加热60min，降温至4℃，干燥48h，得到石墨烯包覆的4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮共晶物。
将包覆石墨烯的4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮共晶物研磨成粉末，置于管式炉中加热至600℃，保温4h，得到含氮量为5.40％氮掺杂石墨烯材料。
实施例3
将0.1g片径为100μm的石墨烯加入25ml N,N’-二甲基甲酰胺中，在600r/min转速下磁力搅拌60分钟，然后将置于超声分散仪中，超声30分钟，得到4mg/ml的石墨烯溶液。
将0.05g 4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮融入25ml N,N’-二甲基甲酰胺中，加入上述石墨烯溶液，在100℃下加热60min，降温至4℃，干燥48h，得到石墨烯包覆的4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮共晶物。
将包覆石墨烯的4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮共晶物研磨成粉末，置于管式炉中加热至600℃，保温4h，得到含氮量为5.19％氮掺杂石墨烯材料。
对实施例1制得的氮掺杂石墨烯材料进行扫描电镜测试，如图1所示，图1示出了实施例1制得的氮掺杂石墨烯材料的扫描电镜测试图。由图1可知该材料中石墨烯均匀包覆在4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮晶体的表面，不需要使用胶黏剂等助剂，完整的保持了4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮晶体的表面性能。
对实施例1制得的氮掺杂石墨烯材料和未掺杂氮的石墨烯材料进行X射线光电子能谱测试。如图2所示，由图2可以看出，结合能在398-403eV出现一尖峰，可以说明，4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮作为氮源能够有效的与石墨烯结合，得到氮掺杂石墨烯。
进一步地，对氮掺杂石墨烯的N1s处进行X射线光电子能谱分析，如图3所示，在398.4、400.1、401.2和402.4eV分别出现了吡啶型N、吡咯型N、石墨型N以及吡啶N氧化物。
进一步地，对氮掺杂石墨烯的C1s处进行X射线光电子能谱分析，如图4所示，在284.5、285.5和287.8eV分别出现了C–C、C–N以及C＝O/C＝N键，说明4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮作为氮源制备氮掺杂石墨烯对石墨烯的机构产生了作用。
综合以上测试，说明4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮作为氮源掺杂石墨烯是可行的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的氮掺杂石墨烯材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：将石墨烯分散于N,N’-二甲基甲酰胺中，加入4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的N,N’-二甲基甲酰胺溶液，在50～100℃下加热30～60min，降温至0～4℃，干燥，得到石墨烯包覆的4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮共晶物，将其研磨成粉末，置于管式炉在500～800℃下加热3～5h，得到氮掺杂石墨烯材料；其中，石墨烯与4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的N,N’-二甲基甲酰胺溶液中的4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的质量比为1:1～10。
2.根据权利要求1所述的一种基于4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的氮掺杂石墨烯材料的制备方法，其特征在于，石墨烯的层数在1～2层，且片径为0.2～100μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的氮掺杂石墨烯材料的制备方法，其特征在于，石墨烯与4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的质量比为1:4～8。
4.根据权利要求1所述的一种基于4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的氮掺杂石墨烯材料的制备方法，其特征在于，4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的N,N’-二甲基甲酰胺溶液中4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的浓度为1～5mg/mL。
5.根据权利要求1所述的一种基于4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的氮掺杂石墨烯材料的制备方法，其特征在于，管式炉的加热温度设置为600℃，加热时间为4h。
6.根据权利要求1所述的一种基于4,4’-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮的氮掺杂石墨烯材料的制备方法，其特征在于，石墨烯的N,N’-二甲基甲酰胺分散液的制备采用下述方法：将石墨烯加入到N,N’-二甲基甲酰胺中，搅拌30～90min，超声抖动30～60min，其中，石墨烯与N,N’-二甲基甲酰胺的质量比为1:20～30。
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