低温等离子体制备不同类型氮掺杂石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种低温等离子体制备不同类型氮掺杂石墨烯的方法，包括的步骤有：将含氮化合物加入到浓度为0.5‑50mg/ml的氧化石墨烯溶液中得到混合液，其含氮化合物和氧化石墨烯溶液的质量比为1:1‑1:10；对混合液进行超声15‑60min分散，得到分散液；对分散液进行离心分离，将分离得到的沉淀化合物进行冷冻干燥得到含氮化合物和氧化石墨烯的粉体；将粉体在还原性和/或惰性气体的气氛下进行低温等离子体放电，得到不同类型氮掺杂石墨烯。本发明专利技术较之现有技术方法更为简单，条件要求低，适于大规模生产，以提高效益，降低成本。

Preparation of different nitrogen-doped graphene by low temperature plasma

The invention discloses a method for preparing different types of nitrogen-doped graphene by low-temperature plasma, which includes the following steps: adding nitrogen-containing compounds into graphene oxide solution with concentration of 0.5 50mg/ml to obtain mixed solution, the mass ratio of nitrogen-containing compounds to graphene oxide solution is 1:1 1:10; and dispersing the mixed solution by ultrasound for 15 60min to obtain the dispersed solution; Nitrogen-containing compounds and graphene oxide powders were obtained by centrifugal separation and freeze-drying of precipitated compounds. Different nitrogen-doped graphene powders were obtained by low temperature plasma discharge in the atmosphere of reducing and/or inert gases. Compared with the existing technology and method, the present invention is simpler, has lower requirements, and is suitable for large-scale production, so as to improve efficiency and reduce cost.

【技术实现步骤摘要】
低温等离子体制备不同类型氮掺杂石墨烯的方法
本专利技术属于电极材料
，特别是涉及一种低温等离子体制备不同类型氮掺杂石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯具有高导电性、高比表面积、高比强度等许多优异的物理化学性质，因此被广泛地应用在燃料电池催化剂、吸附剂、以及超级电容器的电极材料。氮掺杂石墨烯可以有效地调节石墨烯结构，按照氮掺杂的类型可以分为三种，即：吡啶氮、吡咯氮和石墨化氮。吡啶氮和吡咯氮通过从石墨烯上夺取电子形成P型掺杂，而石墨化氮取代原有六元环中的碳是N型掺杂。氮掺杂类型对于提高材料的性能具有重要的作用，例如氮掺杂石墨烯作为超级电容器电极材料时，其电极材料的比容量不仅和氮掺杂量有关，而且还和氮掺杂的类型有关，即石墨化氮能有效地降低在大电流密度下的电荷传递电阻，而吡啶氮和吡咯氮能提供更高的比电容。氮掺杂的石墨烯用于燃料电池氧还原反应的催化剂，其活性位点是与吡啶氮相邻的碳原子，它具有Lewis碱性，能有效地吸附氧还原反应反应最初阶段氧分子。但是到目前为止，合成氮掺杂石墨烯的方法主要包括水热合成法、气相沉积法、辐射合成法、电弧放电法等，但这样方法合成条件比较苛刻不利于大规模生产，同时不便于调控氮掺杂的类型。
技术实现思路
本专利技术需要解决的问题是提供一种低温等离子体制备不同类型氮掺杂石墨烯的方法，简化了现有复杂的方法和苛刻的条件要求，克服了现有技术中合成工艺不能在低温低压下调控氮掺杂类型的调控问题，利于大规模生产。一种低温等离子体制备不同类型氮掺杂石墨烯的方法，包括的方法有：将含氮化合物加入到浓度为0.5-50mg/ml的氧化石墨烯溶液中得到混合液，其含氮化合物和氧化石墨烯溶液的质量比为1:1-1:10；对混合液进行超声15-60min分散，得到分散液；对分散液进行离心分离，将分离得到的沉淀化合物进行冷冻干燥得到含氮化合物和氧化石墨烯的粉体；将粉体在还原性和/或惰性气体的气氛下进行低温等离子体放电，得到不同类型氮掺杂石墨烯。进一步，所述低温等离子体放电的温度为25-30℃，压强为1-3Pa，放电功率为10-200W，放电时间为5-60min。进一步，将粉体在还原性和惰性气体的气氛下进行低温等离子体放电，惰性气体与还原性气体的流量比为1:10-1:0.5。进一步，所述含氮化合物包括氨水、尿素、吡咯中的一种或其中两种的混合物，其中两种含氮化合物的质量比满足1:1-1:20的比例即可，其混合后的质量和氧化石墨烯溶液的质量比为1:1-1:10。进一步，所述离心分离的转速为5000-12000rbm，时间为5-30min。进一步，所述冷冻干燥的温度为零下20℃至零下50℃。本专利技术的有益效果在于：利用含氮化合物产生的等离子体的反应活性不同提供掺杂的氮源，实现了氧化石墨烯的常温常压掺杂，避免了高温高压的合成过程，较之现有技术方法更为简单，条件要求低，适于大规模生产，以提高效益，降低成本。通过调节放电功率以及放电时间等参数，可以调控产物中的氮元素含量。利用不同氮源在低温等离子体放电时生成的产物的活性不同，可以调控产物中的氮掺杂类型。如吡咯型氮掺杂的石墨烯，采用尿素作为唯一或主要的氮源，另一种含氮化合物为氨水或吡咯中的其中一种，其两种含氮化合物的质量比20:1-1:1,其最优质量为4:1；石墨化氮掺杂的石墨烯采用氨水作为主要的氮源，另一种含氮化合为物尿素或吡咯中的其中一种，其两种含氮化合物的质量比20:1-1:1,其最优质量为10:1。具有工艺简单、反应过程容易控制等优点，适用于工业化大规模的生产。附图说明图1是实施例四氮掺杂石墨烯X射线衍射图。图2是实施例四氮掺杂石墨烯的光电子能谱图。图3是实施例四氮元素的光电子能谱图。图4是实施例五氮掺杂石墨烯的光电子能谱图。图5是实施例五氮元素的光电子能谱图。图6是本专利技术的流程图。图7是实施例一氮元素的光电子能谱图。图8是实施例二氮元素的光电子能谱图。图9是实施例三氮元素的光电子能谱图。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本专利技术作进一步的说明。实施例一如图6所示，一种低温等离子体制备不同类型氮掺杂石墨烯的方法，包括的方法有：以Hummers法制备氧化石墨烯，再配制浓度为0.5mg/ml的氧化石墨烯溶液，将含氮化合物加入到氧化石墨烯溶液中得到混合液，含氮化合物和氧化石墨烯溶液的质量比为1:1。其中含氮化合物为尿素和吡啶的混合物，其质量比为10:1。然后对混合液进行超声15min分散，获得含氮化合物和氧化石墨烯的分散液。然后对分散液进行离心分离，离心分离的转速为5000rbm，时间为5min，分离得到沉淀化合物。将沉淀化合物在温度为-40℃的环境下进行冷冻干燥得到含氮化合物和氧化石墨烯的粉体。将粉体放入石英瓷舟中，在还原性和/或惰性气体的气氛下进行低温等离子体放电，得到不同类型氮掺杂石墨烯。其中惰性气体为氩气，还原性气体为氢气、甲烷、一氧化碳等气体，还原性气体可为其中一种或多种。若同时含有惰性气体和还原性气体，其流量比为1:10。在低温等离子体放电中，放电室内的温度为27℃，压强为1Pa，放电功率为200W，放电时间为30min。如图7所示，产物中的氮元素以吡啶型(N1)和吡咯型氮(N2)存在,根据峰面积比计算出N2:N1的比值分别为6.2:1，说明采用尿素作为主要氮源，吡啶为辅助氮源得到的是以吡咯型氮(N2)掺杂的石墨烯。实施例二如图6所示，一种低温等离子体制备不同类型氮掺杂石墨烯的方法，包括的方法有：以Hummers法制备氧化石墨烯，再配制浓度为30mg/ml的氧化石墨烯溶液10ml，将含氮化合物加入到氧化石墨烯溶液中得到混合液，含氮化合物和氧化石墨烯的质量比为1:5。其中含氮化合物为氨水和吡啶的混合物，其质量比为1:6。然后对混合液进行超声35min分散，获得含氮化合物和氧化石墨烯的分散液。然后对分散液进行离心分离，离心分离的转速为8000rbm，时间为20min，分离得到沉淀化合物。将沉淀化合物在温度为-20℃的环境下进行冷冻干燥得到含氮化合物和氧化石墨烯的粉体。将粉体放入石英瓷舟中，在还原性和/或惰性气体的气氛下进行低温等离子体放电，得到不同类型氮掺杂石墨烯。其中惰性气体为氩气，还原性气体为氢气、甲烷、一氧化碳等气体，还原性气体可为其中一种或多种。若同时含有惰性气体和还原性气体，其流量比为1:5。在低温等离子体放电中，放电室内的温度为30℃，压强为2Pa，放电功率为100W，放电时间为5min。如图8所示，产物中的氮元素以三种形式存在分别为：吡啶型(N1)、吡咯型氮(N2)、石墨化氮(N3)存在,根据峰面积比计算出N1:N2:N3的比值分别为2.1:1.37:1，说明采用吡啶作为主要氮源，氨水为辅助氮源得到的是以吡啶型氮(N1)掺杂的石墨烯。实施例三如图6所示，一种低温等离子体制备不同类型氮掺杂石墨烯的方法，包括的方法有：以Hummers法制备氧化石墨烯，再配制浓度为50mg/ml的氧化石墨烯溶液，将含氮化合物加入到氧化石墨烯溶液中得到混合液，含氮化合物和氧化石墨烯的质量比为1:10。其中含氮化合物为氨水和吡啶的混合物，其质量比为1:6。然后对混合液进行超声60min分散，获得含氮化合物和氧化石墨烯的分散液。然后对分散液进行离心分离，离心分离的转速为12000rbm，时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温等离子体制备不同类型氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，包括的方法有：将含氮化合物加入到浓度为0.5‑50mg/ml的氧化石墨烯溶液中得到混合液，其含氮化合物和氧化石墨烯溶液的质量比为1:1‑1:10；对混合液进行超声15‑60min分散，得到分散液；对分散液进行离心分离，将分离得到的沉淀化合物进行冷冻干燥得到含氮化合物和氧化石墨烯的粉体；将粉体在还原性和/或惰性气体的气氛下进行低温等离子体放电，得到不同类型氮掺杂石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种低温等离子体制备不同类型氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，包括的方法有：将含氮化合物加入到浓度为0.5-50mg/ml的氧化石墨烯溶液中得到混合液，其含氮化合物和氧化石墨烯溶液的质量比为1:1-1:10；对混合液进行超声15-60min分散，得到分散液；对分散液进行离心分离，将分离得到的沉淀化合物进行冷冻干燥得到含氮化合物和氧化石墨烯的粉体；将粉体在还原性和/或惰性气体的气氛下进行低温等离子体放电，得到不同类型氮掺杂石墨烯。2.根据权利要求1所述的低温等离子体制备不同类型氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，所述低温等离子体放电的温度为25-30℃，压强为1-3Pa，放电功率为10-200W，放电时间为5-60min。3.根据权利要求1或2所述的低温等离子体制备不同...

【专利技术属性】
技术研发人员：王奇，孙红梅，
申请(专利权)人：中科院合肥技术创新工程院，
类型：发明
国别省市：安徽,34