一种氮硫共掺杂石墨烯及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种氮硫共掺杂石墨烯及其制备方法与应用。该氮硫共掺杂石墨烯的原料组成包括含有亲水基团的氮硫化合物、氧化石墨烯和绿色还原剂，该含有亲水基团的氮硫化合物、氧化石墨烯和绿色还原剂的质量比为(1‑5)：1：(1‑10)。该制备方法包括以下步骤：将含有亲水基团的氮硫化合物与氧化石墨烯的水溶液混合，然后加入绿色还原剂，得到混合液；将上述的混合液在100℃‑200℃条件下反应6h‑18h后提纯，得到氮硫共掺杂石墨烯，其中，所述含有亲水基团的氮硫化合物、氧化石墨烯和绿色还原剂的质量比为(1‑5)：1：(1‑10)。本发明专利技术还提供上述氮硫共掺杂石墨烯作为柔性电极材料和/或导电、导热材料的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料领域，涉及一种氮硫共掺杂石墨烯及其制备方法与应用，尤其涉及一种高浓度水溶性的氮硫共掺杂石墨烯及其制备方法与应用。
技术介绍
石墨烯凭借其优异的光学、电学、机械和电学性能，已在生物传感器、催化剂载体、能源存储等领域中发挥出色的作用，同时也成为制备高性能复合材料和电子器件的理想材料。然而纯的石墨烯材料由于库伦静电力和范德华力的作用使得其发生层间贴合而极大地消弱了其储存电荷的能力，同时石墨烯表面不含有亲水基团，以至于石墨烯很难在水溶液中分散。近年来，水溶性石墨烯凭借在水溶剂中很好地分散性和与亲水性树脂基体的相容性，已经在水性涂料、导电油墨等方面表现出很好地应用前景。因此，为了充分发挥石墨烯的优异性能，通过对石墨烯进行修饰，引入掺杂元素和亲水基团，从而得到高水溶性、性能稳定的石墨烯成为国内外学者研究的热点。目前，高性能石墨烯的应用实现商业化和产业化还存在生产成本高、生产工艺复杂等技术难题。比如常见的石墨烯制备方法采用水合肼、氢碘酸等强还原剂，所制备的石墨烯不易分散，而且还原剂危险系数高。当石墨烯引入氮、硫等掺杂元素时，通常采用高温煅烧或化学气相沉积等方法，然而这些制备方法都存在对设备要求高、工艺复杂、成本高等缺点，难以实现产业化。此外，目前还没有制备出同时兼顾高水溶性和氮硫共掺杂的石墨烯的报道。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种氮硫共掺杂石墨烯，该掺杂石墨烯能在石墨烯中实现氮元素和硫元素的共掺杂修饰，并能解决石墨烯在水溶剂中分散性差的问题。本专利技术的另一目的在于提供一种氮硫共掺杂石墨烯的制备方法，该方法能够解决现有技术制备的石墨烯的水溶性差、分散浓度低、掺杂温度高以及不能大规模生产的问题。为了达到前述的专利技术目的，本专利技术提供的一种氮硫共掺杂石墨烯，其中，所述氮硫共掺杂石墨烯的原料组成包括含有亲水基团的氮硫化合物、氧化石墨烯和绿色还原剂，所述含有亲水基团的氮硫化合物、氧化石墨烯和绿色还原剂的质量比为(1-5)：1：(1-10)。在上述氮硫共掺杂石墨烯中，所述含有亲水基团的氮硫化合物可以选择本领域的已知的化合物；优选地，所述含有亲水基团的氮硫化合物包括氨基苯磺酸、氨基乙磺酸和氨基磺酸等中的一种或几种的组合。在上述氮硫共掺杂石墨烯中，以含氨基的磺酸或磺酸盐化合物为氮元素(N)和硫元素(S)的共同来源，在氮掺杂的同时进行硫元素的修饰，并同时引入磺酸基团作为亲水基团，使制得的氮硫共掺杂石墨烯具有良好的水溶性。在上述氮硫共掺杂石墨烯中，优选地，所述绿色还原剂包括维生素C、柠檬酸、葡萄糖和麦芽糖等中的一种或几种的组合。在上述氮硫共掺杂石墨烯中，优选地，常温下，所述氮硫共掺杂石墨烯在水中的溶解度为2mg/mL-10mg/mL。在上述氮硫共掺杂石墨烯中，所述氮硫共掺杂石墨烯带有亲水基团(磺酸基团)，具有很好的稳定性和水溶性，其在水溶液中的浓度为2mg/mL-10mg/mL时，该水溶液仍能保持良好的稳定性和分散性。本专利技术还提供上述氮硫共掺杂石墨烯的制备方法，其包括以下步骤：将含有亲水基团的氮硫化合物与氧化石墨烯的水溶液混合，然后加入绿色还原剂，得到混合液；将所述混合液在100℃-200℃条件下反应6h-18h后提纯，得到氮硫共掺杂石墨烯。在上述制备方法中，利用廉价易得的掺杂源(含有亲水基团的氮硫化合物)在相对较低的温度下(100℃-200℃)，一步法制备了具有高水溶性的氮硫共掺杂石墨烯，该方法工艺简单，成本低，易于实现大规模、产业化生产。在上述制备方法中，优选地，在所述氧化石墨烯的水溶液中，氧化石墨烯的浓度为0.5mg/mL-5mg/mL。在上述制备方法中，优选地，所述得到混合液的步骤包括：将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，得到氧化石墨烯的水溶液，向所述氧化石墨烯的水溶液中加入含有亲水基团的氮硫化合物，再加入绿色还原剂，然后搅拌均匀得到混合液。在上述制备方法中，优选地，所述氧化石墨烯超声分散的时间为30min-120min。在上述制备方法中，优选地，所述搅拌的时间为30min-120min，转速为200rpm-800rpm。在上述制备方法中，所述提纯的方法为用去离子水洗涤数次，直至洗涤后的废液pH为7。在上述制备方法中，优选地，所述氮硫共掺杂石墨烯的产率为85％-90％。本专利技术还提供由上述氮硫共掺杂石墨烯作为柔性电极材料和/或导电、导热材料的应用。根据具体实施方案，本专利技术氮硫共掺杂石墨烯的制备方法具体可通过以下步骤实施：在室温下，将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，制得的浓度为(0.5-5)mg/mL的氧化石墨烯的水溶液，超声时间为30min-120min；将含有亲水基团的氮硫化合物作为氮源和硫源溶于上述氧化石墨烯的水溶液中，再加入一定量的绿色还原剂后，搅拌均匀得到混合液；其中，所述氮硫化合物、氧化石墨烯和绿色还原剂的质量比为(1-5)：1：(1-10)，且搅拌时间为30min-120min,搅拌转速为200rpm-1000rpm；将上述的混合液倒入聚四氟乙烯反应釜中，在100℃-200℃条件下反应6h-18h后，收集黑色固体产物并用去离子水洗涤数次，直至洗涤后的废液pH为7，得到高浓度水溶性氮硫共掺杂石墨烯；其中，所述含有亲水基团的氮硫化合物可以为氨基苯磺酸、氨基乙磺酸、氨基磺酸中的一种或多种，所述绿色还原剂可以为维生素C、柠檬酸、葡萄糖、麦芽糖中的一种或多种。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术提供的上述氮硫共掺杂石墨烯的制备方法仅采用一步法就制备出了高水溶性、氮硫共掺杂的石墨烯，该制备方法原料廉价，工艺简单，温度要求低(只需100℃-200℃)，能耗少，成本低，产物产率高达85％-90％，且制备的氮硫共掺杂石墨烯产品性能稳定，实现了大规模生产的基本要求。(2)本专利技术制备的氮硫共掺杂石墨烯带有亲水基团，具有很好的稳定性和水溶性，其在水溶液中分散的浓度可高达10mg/mL，且此时形成的氮硫共掺杂石墨烯的水溶液的pH值为中性，Zeta电位为-68mV,根据美国ASTM D4187-82标准，Zeta电位的绝对值大于60mV的水溶液体系具有极好的稳定性，因此，本专利技术制备的氮硫共掺杂石墨烯，在其水溶液浓度为10mg/mL时，该水溶液也具有良好的稳定性和分散性。(3)本专利技术制备的氮硫共掺杂石墨烯可用于能源、电子和生物等领域，为解决能量存储、电子器件设计和生物医疗等方面提供理想、充足的材料支撑。附图说明图1为实施例1制得的氮硫共掺杂石墨烯的扫描电镜图；图2为实施例1制得的氮硫共掺杂石墨烯的XPS全谱图；图3为实施例1制得氮硫共掺杂石墨烯的C1s分峰图；图4为实施例1制得的氮硫共掺杂石墨烯Zeta电位图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本专利技术的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本专利技术可实施范围的限定。实施例1本实施例提供了一种氮硫共掺杂石墨烯，其原料组成包括氨基苯磺酸、氧化石墨烯和维生素C，其中，所述氨基苯磺酸、氧化石墨烯和维生素C的质量比为1:1:1。本实施例提供的氮硫共掺杂石墨烯，常温下，在水中的溶解度10mg/mL。本实施例的氮硫共掺杂石墨烯通过以下步骤制得：(1)在室温下，将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，制得的浓度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮硫共掺杂石墨烯，其特征在于：所述氮硫共掺杂石墨烯的原料组成包括含有亲水基团的氮硫化合物、氧化石墨烯和绿色还原剂，所述含有亲水基团的氮硫化合物、氧化石墨烯和绿色还原剂的质量比为(1‑5)：1：(1‑10)。

【技术特征摘要】
1.一种氮硫共掺杂石墨烯，其特征在于：所述氮硫共掺杂石墨烯的原料组成包括含有亲水基团的氮硫化合物、氧化石墨烯和绿色还原剂，所述含有亲水基团的氮硫化合物、氧化石墨烯和绿色还原剂的质量比为(1-5)：1：(1-10)。2.根据权利要求1所述的氮硫共掺杂石墨烯，其特征在于：所述含有亲水基团的氮硫化合物包括氨基苯磺酸、氨基乙磺酸和氨基磺酸中的一种或几种的组合。3.根据权利要求1所述的氮硫共掺杂石墨烯，其特征在于：所述绿色还原剂包括维生素C、柠檬酸、葡萄糖和麦芽糖中的一种或几种的组合。4.根据权利要求1-3任一项所述的氮硫共掺杂石墨烯，其特征在于：常温下，所述氮硫共掺杂石墨烯在水中的溶解度为2mg/mL-10mg/mL。5.权利要求1-4任一项所述的氮硫共掺杂石墨烯的制备方法，其包括以下步骤：将含有亲水基团的氮硫化合物与氧化石墨烯的水溶液混合，然后加入绿色还原剂，得到混合液；将所述混合液在100...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙蓉，朱朋莉，苏海波，李刚，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44