一种掺杂石墨烯粉体及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种掺杂石墨烯粉体及其制备方法，涉及石墨烯粉体制备技术领域。本发明专利技术基于金属镁粉与二氧化碳发生的自蔓延高温合成反应，在初始体系中引入多种掺杂剂，利用反应产生的高温环境引发掺杂剂分解，释放出含有杂原子的气体对石墨烯原位掺杂，得到杂原子掺杂的石墨烯粉体。本发明专利技术制备的掺杂石墨烯粉体的平均孔径为2～50nm，BET比表面积为100～500m

A kind of doped graphene powder and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂石墨烯粉体及其制备方法
本专利技术涉及石墨烯粉体制备
，尤其涉及一种掺杂石墨烯粉体及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种以sp2杂化轨道相连接构成呈六角型蜂巢晶格的单层碳原子，具有反常量子霍尔效应、双极电场效应、高载流子浓度(2×106cm2V-1s-1)、高热导率(5000WmK-1)和高比表面积(2630m2g-1)等特征，被认为是最有潜力的二维材料之一。但是，单层石墨烯是无带隙材料，在微电子领域等多种场合下限制了其广泛应用。因此，研究人员开发出了多种手段以调节石墨烯的电子结构，包括表面修饰和化学掺杂。经过氮、硫、磷、硼等杂原子掺杂处理后，石墨烯的理化性质和电学特征能够得到本质改变。例如，氮杂石墨烯是良好的电子给体，具有优异的电子导通能力，因而在储能相关领域中得到较多应用；将氮或硼原子掺入石墨烯层中，可以将无带隙的石墨烯转变为n-型或p-型半导体，有望应用于工业逻辑电路。目前，制备掺杂石墨烯的方法有化学气相沉积法(CVD)、球磨法、湿化学法、电弧法、等离子体法等。但是，这些方法在便利性、掺杂量调控、能量消耗等方面均存在不足之处，限制了掺杂石墨烯粉体的规模化生产。例如，化学气相沉积法虽能制备出结晶良好的掺杂石墨烯薄膜，但是反应过程需要高温环境，消耗了较多的电能，增加了生产成本，且不适合制备石墨烯粉体材料。球磨法通过机械化学的方式将杂原子引入石墨烯层中，虽然方法简单易行，但是在掺杂的同时容易破坏石墨烯中碳原子层的规整排列。湿化学法采用氧化石墨为前驱体，在液相中通过化学反应将杂原子掺杂进入石墨烯基面中。此法的优势是能够在温和的环境下实现石墨烯的掺杂，缺点是在后续的干燥过程中易引发石墨烯的堆叠和团聚，导致产物的比表面积大幅降低，孔径分布无法精确控制。而电弧法和等离子体法制备流程复杂，生产条件苛刻，成本较高，难以工业化推广应用。因此，寻求一种便捷、绿色、低成本的可控石墨烯掺杂方法仍然是目前产业界和学术界共同面临的重要挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种掺杂石墨烯粉体及其制备方法，所述方法能够克服现有掺杂石墨烯粉体材料制备中普遍存在的生产过程繁琐、产物品质低、能量消耗大等问题，同时，制备的掺杂石墨烯粉体具有高介孔率和高比表面积等优点。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种掺杂石墨烯粉体的制备方法，包括以下步骤：将镁粉、氧化镁粉和掺杂剂混合，得到混合粉末；将所述混合粉末置于密封容器中，向所述密封容器中通入二氧化碳气体，在通电加热条件下，进行自蔓延合成反应，得到黑色粉末；将所述黑色粉末与稀酸溶液混合，静置后干燥，得到掺杂石墨烯粉体。优选的，所述镁粉与氧化镁粉的质量比为1:4～10。优选的，所述掺杂剂为偏硼酸钙、硫酸钙、磷酸钙、三聚氰胺、硫脲和尿素中的一种或几种。优选的，所述掺杂剂的形态为粉体，所述掺杂剂的平均粒径为1～100μm。优选的，所述镁粉与掺杂剂的质量比为1:0.1～2。优选的，所述通入二氧化碳气体的流量为1～10L·min-1。优选的，所述通电条件由直流电源对金属线圈两端施加直流电而产生；所述金属线圈的材质为钨、镍或铬。优选的，所述自蔓延合成反应的时间为30～180s。优选的，所述稀酸溶液的浓度为0.1～1mol/L，所述稀酸溶液为盐酸溶液或硝酸溶液。本专利技术提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的掺杂石墨烯粉体，所述掺杂石墨烯粉体的平均孔径为2～50nm，BET比表面积为100～500m2·g-1。本专利技术提供了一种掺杂石墨烯粉体的制备方法，包括以下步骤：将镁粉、氧化镁粉和掺杂剂混合，得到混合粉末；将所述混合粉末置于密封容器中，向所述密封容器中通入二氧化碳气体，在通电加热条件下，进行自蔓延合成反应，得到黑色粉末；将所述黑色粉末与稀酸溶液混合，静置后干燥，得到掺杂石墨烯粉体。本专利技术基于金属镁粉与二氧化碳发生的自蔓延高温合成反应，在初始体系中引入多种掺杂剂，利用反应产生的高温环境引发掺杂剂分解，释放出含有杂原子的气体对石墨烯原位掺杂，得到杂原子掺杂的石墨烯粉体。本专利技术的方法便捷、绿色、成本低。本专利技术制备的掺杂石墨烯粉体的平均孔径为2～50nm，BET比表面积为100～500m2·g-1，介孔率为80～85％，具有高比表面积和高介孔率。本专利技术涉及的反应原料来源广泛，过程简单易行，产率高，无污染，体系中的氧化镁能够作为模板剂和间隔剂，有效避免掺杂石墨烯粉体的团聚和堆叠。附图说明图1为本专利技术实施例1所得掺杂石墨烯粉体的扫描电子显微镜照片；图2为本专利技术实施例1所得掺杂石墨烯粉体的透射电子显微镜照片；图3为本专利技术实施例1所得掺杂石墨烯粉体的X射线衍射图样；图4为本专利技术实施例1所得掺杂石墨烯粉体的X射线光电子能谱；图5为本专利技术实施例1所得掺杂石墨烯粉体的拉曼谱图；图6为本专利技术实施例1所得掺杂石墨烯粉体的氮气等温吸脱附曲线；图7为本专利技术实施例1所得掺杂石墨烯粉体的DFT孔径分布曲线；图8为本专利技术实施例13所得掺杂石墨烯粉体的透射电子显微镜照片；图9为本专利技术实施例13所得掺杂石墨烯粉体的X射线衍射图样；图10为本专利技术实施例13所得掺杂石墨烯粉体的X射线光电子能谱；图11为本专利技术实施例13所得掺杂石墨烯粉体的拉曼谱图；图12为本专利技术实施例13所得掺杂石墨烯粉体的氮气等温吸脱附曲线；图13为本专利技术实施例13所得掺杂石墨烯粉体的DFT孔径分布曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种掺杂石墨烯粉体的制备方法，包括以下步骤：将镁粉、氧化镁粉和掺杂剂混合，得到混合粉末；将所述混合粉末置于密封容器中，向所述密封容器中通入二氧化碳气体，在通电加热条件下，进行自蔓延合成反应，得到黑色粉末；将所述黑色粉末与稀酸溶液混合，静置后干燥，得到掺杂石墨烯粉体。在本专利技术中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。本专利技术将镁粉、氧化镁粉和掺杂剂混合，得到混合粉末。在本专利技术中，所述镁粉优选为金属镁粉，所述镁粉的粒径优选为10～100μm，纯度优选为99.9～99.99％。在本专利技术中，所述氧化镁粉的粒径优选为10～100μm，纯度优选为99.9～99.99％。在本专利技术中，所述镁粉与氧化镁粉的质量比优选为1:4～10，更优选为1:5～8，进一步优选为1:6～7。本专利技术以镁粉作为反应原料，而氧化镁粉不参与反应，但是能够降低反应过程的热量，调控金属镁粉与CO2气体发生自蔓延高温合成时的动力学参数，降低燃烧波速。此外，氧化镁能够作为模板剂和间隔剂，有效避免掺杂石墨烯粉体的团聚和堆叠。在本专利技术中，所述掺杂剂优选为偏硼酸钙、硫酸钙、磷酸钙、三聚氰胺、硫脲和尿素中的一种或几种；当所述掺杂剂为上述种类中的几种时，任意一种掺杂剂所占的质量比优选不低于掺杂剂总质量的10％。在本专利技术中，所述掺杂剂的形态优选为粉体，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂石墨烯粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n将镁粉、氧化镁粉和掺杂剂混合，得到混合粉末；/n将所述混合粉末置于密封容器中，向所述密封容器中通入二氧化碳气体，在通电加热条件下，进行自蔓延合成反应，得到黑色粉末；/n将所述黑色粉末与稀酸溶液混合，静置后干燥，得到掺杂石墨烯粉体。/n

【技术特征摘要】
1.一种掺杂石墨烯粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将镁粉、氧化镁粉和掺杂剂混合，得到混合粉末；
将所述混合粉末置于密封容器中，向所述密封容器中通入二氧化碳气体，在通电加热条件下，进行自蔓延合成反应，得到黑色粉末；
将所述黑色粉末与稀酸溶液混合，静置后干燥，得到掺杂石墨烯粉体。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镁粉与氧化镁粉的质量比为1:4～10。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述掺杂剂为偏硼酸钙、硫酸钙、磷酸钙、三聚氰胺、硫脲和尿素中的一种或几种。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述掺杂剂的形态为粉体，所述掺杂剂的平均粒径为1～100μm。


5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晨，张熊，马衍伟，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11