一种氮掺杂石墨烯负载金纳米粒子的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮掺杂石墨烯负载金纳米粒子(Au/N‑G)复合材料的制备方法。具体实验步骤，首先采用改进的Hummers法制备氧化石墨，并采用(NH4)2CO3粉末作为氮源在130℃的水热条件下共还原和掺杂得到了氮掺杂石墨烯(N‑G)，最后将N‑G超声分散在二次水中得到0.5mg•mL‑1的均匀分散液，以柠檬酸钠作为还原剂，在微波辐射法的条件下还原HAuCl4制备了氮掺杂石墨烯‑金纳米粒子，此纳米复合材料(Au/N‑G)。实验过程中，采用FT‑IR，SEM，TEM，XRD和XPS等手段对制备的纳米材料进行了表征。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电化学及其制备领域，涉及一种氮掺杂石墨烯负载金纳米粒子制备方法。
技术介绍
石墨稀作为一种独特的sp2杂化的二维单层石墨的碳材料，其稳定的六边形晶格结构使得它拥有许多优异的物理和化学性质，如超高的拉伸强度(130GPa)和比表面积(2600m2/g)、良好的载流子速率(15000～25000cm2/Vs)和热导率(5000W/mK)；此外在室温条件下，其量子霍尔效应及铁磁性等特殊性质也备受科研工作者关注。然而由于石墨稀没有能带间隙使其电导性不能像传统半导体一样被完全控制，此外，石墨烯的表面没有活化官能团，不利于与其他材料(如金属粒子与有机功能小分子)的复合，从而阻碍了其在更广阔领域的应用研究。基于以上因素，人们尝试对石墨稀掺杂杂原子的方法，来改变石墨烯的结构，提高其导电性和稳定性，进而拓展其在传感器、超级电容器和电池等领域的应用。例如在氮原子掺杂的石墨稀中，氮原子的引入可以破坏石墨稀中碳原子的sp2杂化结构进而打开其能带间隙改变其导电类型，形成p-型或n-型掺杂的石墨稀，从而改变了其电子结构，提高石墨稀的自由载流子密度。金纳米粒子具有性质稳定、制备过程简单、粒径均匀、亲和力强、生物相容性好等优点，且易与生物分子固定修饰，是研究最早的金属纳米粒子之一，在生物传感器和疾病的诊疗等领域有广泛的应用。而通过改变不同的合成方法能够得到不同形状、不同尺寸的金纳米粒子，使其具备不同的性质，广泛用于分析化学的各个领域。为了进一步提高氮掺杂石墨烯的导电性，拓宽金纳米粒子的应用领域，我们采取一种简单易行的方法将金纳米粒子负载在比表面积较大的氮掺杂石墨烯上得到一种新的纳米复合材料-氮掺杂石墨烯-金纳米粒子(Au/N-G)。该复合材料在电化学分析，催化剂、超级电容器等领域有广泛的应用价值。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种简单的制备氮掺杂石墨烯的方法，并以此为载体负载金纳米粒子。该方法首先采用改进的Hummers法制备了氧化石墨，然后用碳酸铵为氮源，采用水热法共还原和剥离得到了氮掺杂石墨烯。具体实验过程是以氧化石墨为基底配成2.5mgmL-1悬浊液，超声分散30min，然后加入(NH4)2CO3固体粉末，维持GO∶(NH4)2CO3的质量比为1∶100，搅拌20min后转移入100mL反应釜中在130℃反应12h，自然冷却后离心分离得到黑色固体，并在60℃的真空烘箱中干燥。本专利技术涉及到的制备氮掺杂石墨烯负载金纳米粒子的方法，包括：(1)制备氧化石墨：本实验中，采用改进的Hummers法制备氧化石墨：在冰水浴的控制下，将3g鳞片石墨和1.5g硝酸钠缓慢加入至69mL的浓硫酸中混合均匀，在搅拌下缓慢加入9gKMnO4，并加入138mL二次水，温度上升，此时温度可能达到98℃，水浴降温。进一步加入420mL二次水稀释，并加入30mLH2O2(30％)，此时混合物由棕褐色变为亮黄色，用10％的HCl水溶液洗涤，待样品干燥后用玛瑙研钵研成粉末备用。(2)制备氮掺杂石墨烯：称量125mg上述合成的氧化石墨溶解在50mL去离子水中配成2.5mgmL-1的溶液，超声分散30min，加入12.5g(NH4)2CO3固体粉末中，搅拌20min，然后将上述溶液转移入100mL的反应釜中，在130℃下反应10h，自然冷却至室温后，用二次水洗涤至中性，然后在60℃真空烘箱中烘干待用。(3)制备氮掺杂石墨烯负载金纳米粒子：称量5mg上述制备的氮掺杂石墨烯配成0.5mgmL-1的溶液，加入1mL0.1molL-1柠檬酸钠溶液并搅拌20min，然后再加入100μL1％HAuCl4，搅拌10min后微波辐射30min后，将上述产品离心真空干燥得到负载金纳米粒子的氮掺杂石墨烯固体。附图说明图1氧化石墨的红外光谱图图2氧化石墨、氮掺杂石墨烯和氮掺杂石墨烯负载金纳米粒子的XRD图图3氮掺杂石墨烯(a)和氮掺杂石墨烯负载金纳米粒子(b)的TEM图图4氮掺杂石墨烯(a)和氮掺杂石墨烯负载金纳米粒子(b)的SEM图图5氮掺杂石墨烯和氮掺杂石墨烯负载金纳米粒子的XPS图具体实施方式实施例1制备氧化石墨及氧化石墨的表征制备氧化石墨：采用改进的Hummers法制备氧化石墨干燥研磨得到氧化石墨粉末，将所得到的固体粉末分别对其进行红外和XRD表征，所得数据如图1和图2所示。实施例2：将制得的氧化石墨，氮掺杂石墨烯，氮掺杂石墨烯负载金纳米粒子分别超声1h分散在二次水中，分别取5μL分散液滴在铜网上待干燥后在透射电子显微镜中观察样品形貌结构，透射电镜图如图3所示。实施例3：将氮掺杂石墨烯，氮掺杂石墨烯负载金纳米粒子的复合纳米材料制成样品后在X射线光电子能谱下测其元素状态及元素含量，得到的数据如图3，图4所示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
氮掺杂石墨烯负载金纳米粒子(Au/N‑G)是一种纳米复合材料，在透射电子显微镜下观察是薄的二维材料上负载黑色的金纳米粒子，该复合材料具有较好的导电性和较大比表面积。

【技术特征摘要】
1.氮掺杂石墨烯负载金纳米粒子(Au/N-G)是一种纳米复合材料，在透射电子显微镜下观察是薄的二维材料上负载黑色的金纳米粒子，该复合材料具有较好的导电性和较大比表面积。2.制备氮掺杂石墨烯：先配制2.5mgmL-1的氧化石墨溶液，再将该溶液超声分散1h，加入一定量的固体粉末，保持GO∶((NH4)2CO3的质量比为1∶100，然后搅拌20min，混合均匀后转移入100mL的反应釜中在130℃烘箱中反应10h。将得到的固体反应物离心分离，并在60℃真空烘箱中烘干。3.制备氮掺杂石墨烯-金纳米粒子复合物：称量5mgN-G粉末，超...

【专利技术属性】
技术研发人员：张纪梅，张坤，张志秋，马庆运，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12