一种功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯及其制备方法技术

本发明专利技术一种功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯及其制备方法，所述方法包括步骤1，按(1‑10)：(1‑10)的质量比，将氧化石墨水溶液和十二烷基苯磺酸钠水溶液分散均匀后依次超声、离心，得到离心液，取离心液的上清液，得到混合体系A；步骤2，将丙氨酸加入到混合体系A中混合均匀，丙氨酸与氧化石墨的的质量比为(40‑80)：(1‑10)，得到混合体系B，将混合体系B在160‑190℃下进行恒温水热反应，得到反应液；步骤3，将反应液冷却后分离其中的产物，将产物干燥得到功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯，易于制备良好性能的石墨烯复合材料，而且还能有效地降低复合材料的生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯及其制备方法
本专利技术属于功能化石墨烯材料领域，具体为一种功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是迄今为止人们发现的最薄的物质，它由碳原子排列形成的单原子层六边形晶格结构所构成，厚度仅为一个原子的尺度，约为0.36nm。石墨烯固有的原子结构使其具有十分特殊的电学性质，是目前已知物质中电阻率最低的材料。这些特性使其在电子学相关器件上的应用有着很大的潜力。目前石墨烯的制备方法主要有如下三种：第一种方法是目前广泛使用的氧化还原法，先将天然鳞片石墨氧化，随后将石墨氧化物还原，获得石墨烯；第二种方法可称为石墨化工艺或碳化硅表面外延成长法，例如加热块状或片状碳化硅到高温，Si优先升华，使得SiC表面发生了石墨烯的外延生长；第三种方法为化学气相沉积法，以烃类化合物气体作为碳源，使石墨烯在金属表面上生长。氧化还原法制备的石墨烯虽然成本低，易于操作，但缺点是在氧化和还原的过程中都会产生高密度的缺陷，缺少严格的晶格结构。碳化硅表面外延成长法和化学气相沉积法能获得大面积、高质量的石墨烯，但成本昂贵，对设备的要求较高。石墨烯具有优异的力学、电学和热学等物理性质，具有作为复合材料优良增强材料的基本条件。然而，结构无缺陷的石墨烯，其片层之间相对强大的π-π范德华吸引力使得石墨烯易于相互堆积或聚集，难以均匀分散于基体中。这样一来必然会降低石墨烯的增强效果，而且石墨烯不易与基体分子发生相互作用，难以形成坚固的分子结合界面；再次，目前科学家还没有找到一种能大规模生产石墨烯又具有经济价值的制备技术，使用完善结构的石墨烯作为需要量很大的复合材料增强材料在成本上是难以承受的。因此，需要制备功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯来代替石墨烯，这样不仅能够易于制备良好性能的石墨烯复合材料，而且还能有效地降低复合材料的生产成本。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯及其制备方法，得到的部分还原氮掺杂氧化石墨烯易于制备良好性能的石墨烯复合材料，而且还能有效地降低复合材料的生产成本。一种功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：步骤1，按(1-10)：(1-10)的质量比，将氧化石墨水溶液和十二烷基苯磺酸钠水溶液分散均匀后依次超声、离心，得到离心液，取离心液的上清液，得到混合体系A；步骤2，将丙氨酸加入到混合体系A中混合均匀，丙氨酸与氧化石墨的的质量比为(40-80)：(1-10)，得到混合体系B，将混合体系B在160-190℃下进行恒温水热反应，得到反应液；步骤3，将反应液冷却后分离其中的产物，将产物干燥得到功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯。优选的，步骤1采用以天然鳞片石墨为原料，且经改良的Hummers法制备得到的氧化石墨。进一步，所述氧化石墨的片径为0.5-10μm，比表面积为5-10m2/g。优选的，步骤1按体积比为1:1，将1-10mg/ml的氧化石墨水溶液和1-10mg/ml的十二烷基苯磺酸钠水溶液分散均匀。进一步，所述的十二烷基苯磺酸钠水溶液经磁力搅拌8～12小时得到。优选的，步骤1将氧化石墨水溶液和十二烷基苯磺酸钠水溶液磁力搅拌1～2h。优选的，步骤1将氧化石墨水溶液和十二烷基苯磺酸钠水溶液分散均匀后超声1～2h。优选的，步骤2将丙氨酸加入到混合体系A中磁力搅拌30～60min。优选的，步骤2将混合体系B在所述温度下恒温水热反应10-14h。一种由上述任意一项所述的功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯的制备方法得到的功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术一种功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯的制备方法，将氧化石墨水溶液和十二烷基苯磺酸钠水溶液分散均匀后依次超声、离心后，上清液中十二烷基苯磺酸钠具有双亲性的特点，在与氧化石墨相结合时，它一端的磺基吸附在氧化石墨上，而另一端的十二烷基则暴露于外，由于静电相斥作用，可使得氧化石墨获得稳定的分散，再超声、离心后取离心液的上清液，氧化石墨成功剥离为氧化石墨烯，丙氨酸在水热条件下对氧化石墨烯进行了部分还原和功能化改性，水热反应过程中，中性氨基酸可以有效的抑制氧化石墨烯片层间的π-π堆积相互作用，得到的功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯可以有效的抑制氧化石墨烯片层间的π-π堆积相互作用，通过静电排斥作用可以抑制石墨烯片层的团聚，得到的石墨烯片层具有较大的比表面积，应用于超级电容器电极材料时同时具有双电层电容和赝电容机制，可获得较高的电化学性能。附图说明图1为本专利技术实施例1所述的氧化石墨烯水溶液。图2为本专利技术所述的十二烷基苯磺酸钠辅助超声剥离氧化石墨的机理图。图3为本专利技术实施例1所述的功能化部分还原氧化石墨烯溶液。图4为本专利技术实施例1所述的功能化部分还原氧化石墨烯红外光谱图。图5为本专利技术实施例1所述的天然鳞片石墨及氧化石墨烯拉曼光谱图。图6为本专利技术实施例1所述的功能化部分还原氧化石墨烯拉曼光谱图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。本专利技术通过氧化还原法制备了一种功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯，具体包括如下步骤，步骤1，将由天然鳞片石墨改良的Hummers法制备的氧化石墨配制为1mg/ml-10mg/ml的溶液；步骤2，将阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)配制为1mg/ml-10mg/ml的溶液，磁力搅拌8～12小时，使其充分溶解；步骤3，将体积比为1:1的氧化石墨水溶液与十二烷基苯磺酸钠溶液混合，用磁力搅拌器搅拌1～2h，使其分散均匀，之后超声波处理1～2小时后离心取上清液，氧化石墨成功剥离为氧化石墨烯，即可得到黄色的含有均相氧化石墨烯的水溶液；步骤4，将40mg-80mg的丙氨酸加入到上述含有氧化石墨烯(GO)的水溶液中，经过磁力搅拌30～60min后转移进聚四氟乙烯水热反应釜中，然后将反应釜放入电热恒温干燥箱中，在160-190℃温度下恒温反应10h-14h。当反应完成并自然冷却至室温后，将反应液取出并离心，然后将样品在真空条件下进行常规的冷冻干燥即可得到功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯。本专利技术利用阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)具有双亲性的特点，在与氧化石墨相结合时，它的红色一端的磺基吸附在氧化石墨上，而另一端的十二烷基则暴露于外，由于静电相斥作用，可使得氧化石墨获得稳定的分散，其机理如图2所示。其中，由改良的Hummers法制备的氧化石墨购买自南京先丰纳米材料科技有限公司，氧化石墨外观呈灰绿色，片径为0.5-10μm，比表面积为5-10m2/g，氧含量约为35wt％。氧化石墨粉末XPS谱图数据如表1所示，表明其含有大量的羟基、羧基、环氧基和羰基等官能团，这些含氧官能团的存在使得氧化石墨烯片层与片层之间摆脱了π-π范德华吸引力，使彼此易于分离开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，按(1-10)：(1-10)的质量比，将氧化石墨水溶液和十二烷基苯磺酸钠水溶液分散均匀后依次超声、离心，得到离心液，取离心液的上清液，得到混合体系A；/n步骤2，将丙氨酸加入到混合体系A中混合均匀，丙氨酸与氧化石墨的的质量比为(40-80)：(1-10)，得到混合体系B，将混合体系B在160-190℃下进行恒温水热反应，得到反应液；/n步骤3，将反应液冷却后分离其中的产物，将产物干燥得到功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯。/n

【技术特征摘要】
1.一种功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，按(1-10)：(1-10)的质量比，将氧化石墨水溶液和十二烷基苯磺酸钠水溶液分散均匀后依次超声、离心，得到离心液，取离心液的上清液，得到混合体系A；
步骤2，将丙氨酸加入到混合体系A中混合均匀，丙氨酸与氧化石墨的的质量比为(40-80)：(1-10)，得到混合体系B，将混合体系B在160-190℃下进行恒温水热反应，得到反应液；
步骤3，将反应液冷却后分离其中的产物，将产物干燥得到功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯。


2.根据权利要求1所述的功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤1采用以天然鳞片石墨为原料，且经改良的Hummers法制备得到的氧化石墨。


3.根据权利要求2所述的功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨的片径为0.5-10μm，比表面积为5-10m2/g。


4.根据权利要求1所述的功能化部分还原氮掺杂氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤1按体积比为1:1，将1-10mg/ml的氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：林涛，张能，殷学风，蔺家成，王忠祥，王俊，魏潇瑶，蔡雪，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61