一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的制备方法，包括以下步骤：A)将氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂混合后密封进行加热反应，得到水凝胶；B)将所述水凝胶置于去离子水中，置换步骤A)中未参与反应的甲酰胺，得到水置换后的水凝胶；C)将水置换后的水凝胶速冻后冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。

Three dimensional macro material of nitrogen doped graphene nano coil and preparation method thereof

The present invention provides a method for preparing nitrogen doped graphene nanoscrolls three-dimensional macroscopic materials, which comprises the following steps: A) graphene oxide solution and amide solvent after sealing heating reaction by B) hydrogel; the hydrogel in the deionized water, the replacement step A) did not participate in the reaction formamide, water replacement hydrogel; C) hydrogel frozen water replacement after freeze drying, nitrogen doped graphene nanoscrolls three-dimensional macroscopic materials.

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料及其制备方法
本专利技术属于石墨烯
，具体涉及一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料及其制备方法。
技术介绍
由石墨烯纳米片层组装得到的三维宏观材料因其高比表面积、稳定多孔结构及易于功能化改性等特性，在储能、环保、催化等领域具有广阔的应用前景。石墨烯三维宏观材料的制备方法与内部结构调控对其性能和应用至关重要。由石墨烯纳米片层基于“自下而上”方法制备得到的三维宏观材料，其内部石墨烯片层仍然存在严重的面对面π-π堆叠，使其比表面积远低于理论值，另一方面宏观体内部的三维网络通道受阻以限制内部传质过程。为此基于石墨烯纳米卷组装三维宏观材料是一种新的材料构建思路，石墨烯纳米卷是由二维石墨烯纳米片层沿轴向螺旋卷曲得到的具有开放拓扑结构的一维管状体，区别于碳纳米管无缝连接的管壁结构。石墨烯纳米卷开放的边缘与两端则很好地避免了石墨烯片层的π-π堆叠，同时又可保障物质在宏观体内的无障碍传输。然而现有技术中均是关于石墨烯纳米卷粉体材料的制备，并无技术将石墨烯纳米卷组装成三维宏观材料。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料及其制备方法，本专利技术提供的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料具有较大的比表面积，并且可以保障物质在宏观材料内的无障碍传输。本专利技术提供了一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A)将氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂混合后密封进行加热反应，得到水凝胶；B)将所述水凝胶置于去离子水中，置换步骤A)中未参与反应的酰胺类溶剂，得到水置换后的水凝胶；C)将所述水置换后的水凝胶速冻后冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。优选的，所述酰胺类溶剂为甲酰胺、乙酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺。优选的，所述氧化石墨烯溶液的浓度为2.5～10g/L。优选的，所述氧化石墨烯溶液与甲酰胺的体积比为5：(0.8～1.2)，优选为5:1。优选的，所述加热反应的温度为80～100℃，所述加热反应的时间为10～18小时。优选的，所述速冻为液氮速冻。本专利技术还提供了一种由上述制备方法制备得到的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。优选的，比表面积为80～150m2/g。与现有技术相比，本专利技术提供了一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的制备方法，包括以下步骤：A)将氧化石墨烯溶液与甲酰胺混合后密封进行加热反应，得到水凝胶；B)将所述水凝胶置于去离子水中，置换步骤A)中未参与反应的甲酰胺，得到水置换后的水凝胶；C)将水置换后的水凝胶速冻后冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。本专利技术通过一步法实现石墨烯片层纳米成卷与三维组装两个过程，利用极性分子—酰胺类溶剂作为驱动试剂来实现这一双重目标。在这过程中，酰胺类溶剂一方面起到交联剂促进三维组装的作用，上面的-C＝O和-NH2分别可与GO片层形成氢键，使相邻的GO片层连接；另一方面，酰胺类溶剂中的酰胺基属于缺电子基团，弱的还原剂，使GO片层一定程度的弱还原，这是后续三维宏观体内GO片层在冷冻干燥情况下能够形成卷的必要条件；此外，酰胺类溶剂的复合使得最终得到的石墨烯纳米卷三维宏观材料上有一定程度的N掺杂。同时氧化石墨烯浓度也十分关键，浓度过低无法形成三维宏观网络结构，浓度过高氧化石墨烯片层之间作用过强，无法得到纳米卷结构，内部将出现严重的片层堆叠现象。因此，本专利技术提供的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料具有较大的比表面积，并且可以保障物质在宏观材料内的无障碍传输。结果表明，本专利技术提供的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的比表面积为80～150m2/g。附图说明图1为不同氧化石墨烯浓度对凝胶成型的影响；图2为氧化石墨烯(5g/L)在不同交联剂下的凝胶情况；图3为N掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料内部纳米卷结构的SEM图；图4为甲酰胺添加量对宏观体内形成纳米卷的影响；图5为对比例5制备的氮掺杂石墨烯三维宏观材料的SEM图；图6为XPS中N元素的分峰拟合；图7为N掺杂石墨烯纳米卷(N-GNSs-F)和纯氧化石墨烯(GO-F)三维宏观体的氮气吸附-脱附曲线；图8为N掺杂石墨烯纳米卷(N-GNSs-F)和纯氧化石墨烯(GO-F)三维宏观体对亚甲基蓝(a,c)和罗丹明B(b,d)的吸附去除效果。具体实施方式本专利技术提供了一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的制备方法，包括以下步骤：A)将氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂混合后密封进行加热反应，得到水凝胶；B)将所述水凝胶置于去离子水中，置换步骤A)中未参与反应的甲酰胺，得到水置换后的水凝胶；C)将水置换后的水凝胶速冻后冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。本专利技术以氧化石墨烯溶液以及酰胺类溶剂为原料进行氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的制备，其中，本专利技术以酰胺类溶剂作为驱动试剂实现石墨烯片层纳米成卷与三维组装的双重目标。在此过程中，酰胺类溶剂一方面起到交联剂促进三维组装的作用，上面的-C＝O和-NH2分别可与GO片层形成氢键，使相邻的GO片层连接；另一方面，酰胺类溶剂中的酰胺基属于缺电子基团，弱的还原剂，使GO片层一定程度的弱还原，这是后续三维宏观体内GO片层在冷冻干燥情况下能够形成卷的必要条件；此外，酰胺类溶剂的复合使得最终得到的石墨烯纳米卷三维宏观材料上有一定程度的N掺杂。在本专利技术中，所述酰胺类溶剂优选为甲酰胺、乙酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺，更优选为甲酰胺。所述氧化石墨烯溶液的浓度为2.5～10g/L，优选为5.0g/L。所述氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂的体积比为5：(0.8～1.2)，优选为5:1。将氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂充分混合后密封进行加热反应，得到水凝胶。其中，所述加热反应的温度为80～100℃，所述加热反应的时间为10～18小时。得到水凝胶后，将所述水凝胶置于去离子水中，置换步骤A)中未参与反应的酰胺类溶剂，得到水置换后的水凝胶。在本专利技术中，所述去离子水为过量的，以保证水凝胶中未参与反应的酰胺类溶剂置换完全。如果在上述配比下，没有经过与去离子水置换这一步骤，多余的酰胺类溶剂以溶剂相存在水凝胶内部，而其相转变条件与水不同，使得后续的冷冻干燥后的样品体积收缩，内部呈GO片层堆垛状态。接着，将所述水置换后的水凝胶速冻后冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。在本专利技术中，所述速冻优选为液氮速冻，速冻是使石墨烯片层成卷的一个关键因素。如果冷冻速度过慢，则会出现严重的氧化石墨烯片层堆叠的现象，无法成卷。本专利技术还提供了一种采用上述制备方法制备得到的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料，所述氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的表面积为80～150m2/g。本专利技术通过一步法实现石墨烯片层纳米成卷与三维组装两个过程，利用极性分子—甲酰胺作为驱动试剂来实现这一双重目标。在这过程中，酰胺类溶剂一方面起到交联剂促进三维组装的作用，上面的-C＝O和-NH2分别可与GO片层形成氢键，使相邻的GO片层连接；另一方面，酰胺类溶剂中的酰胺基属于缺电子基团，弱的还原剂，使GO片层一定程度的弱还原，这是后续三维宏观体内GO片层在冷冻干燥情况下能够形成卷的必要条件；此外，酰胺类溶剂的复合使得最终得到的石墨烯纳米卷三维宏观材料上有一定程度的N掺杂。同时氧化石墨烯浓度也十分关键，浓度过低无法形成三维宏观本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A)将氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂混合后密封进行加热反应，得到水凝胶；B)将所述水凝胶置于去离子水中，置换步骤A)中未参与反应的酰胺类溶剂，得到水置换后的水凝胶；C)将所述水置换后的水凝胶速冻后冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A)将氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂混合后密封进行加热反应，得到水凝胶；B)将所述水凝胶置于去离子水中，置换步骤A)中未参与反应的酰胺类溶剂，得到水置换后的水凝胶；C)将所述水置换后的水凝胶速冻后冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述酰胺类溶剂选自甲酰胺、乙酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯溶液的浓度为2.5～10g/L...

【专利技术属性】
技术研发人员：方齐乐，周旭峰，刘兆平，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33