一种氮掺杂石墨烯及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种氮掺杂石墨烯及其制备方法和应用。所述制备方法包括如下步骤：(1)将石墨烯进行活化处理，得到活化石墨烯；(2)将步骤(1)得到的活化石墨烯、卤化剂和催化剂进行卤化反应，得到卤化石墨烯；(3)将步骤(2)得到的卤化石墨烯与氮置换剂进行反应，得到所述氮掺杂石墨烯。本发明专利技术提供的制备方法简单易行、工艺条件温和，且可有效控制氮掺杂石墨烯的碳氮键的键型，生成较多的吡啶氮，利于调节石墨烯的电子能带结构，同时可对氮掺杂量进行控制，适于规模化生产。本发明专利技术提供的氮掺杂石墨烯可用作锂离子电池的导电材料。用作锂离子电池的导电材料。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂石墨烯及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于石墨烯
，具体涉及一种氮掺杂石墨烯及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]石墨烯是二维原子尺度、六角型的碳同素异形体，其中每个顶点有一个原子，是其他同素异形体(石墨、木炭、碳纳米管和富勒烯)的基本结构单元。石墨烯由碳六元环组成，具有二维周期蜂窝状点阵结构，这种独特的二维结构使其具有高的强度、良好的导电性、高的比表面、高的热传导率、高的弹性模量和极好的透光性等各种优异的物理化学性质，因此在储能、吸附、传感、催化等领域具有广泛的应用价值。
[0003]掺杂是调整半导体材料电子性能的一种常用方法，研究表明，对石墨烯进行掺杂改性处理，可以有效的调节其电子结构及表面特性，在碳骨架中引入富电子N原子，可以改变材料的能带结构，使材料的价带降低，增强材料的导电性及增加费米能级上的电子密度，扩大其应用范围。目前，常用的制备氮掺杂石墨烯方法有溶剂热法、化学气相沉积法、等离子体处理法以及热处理法。
[0004]化学气相沉积法(CVD)一般以一种金属催化剂作为基底，然后在高温条件下，引入碳源气体和含氮气体的混合物。CN102605339A公开了一种规则氮掺杂石墨烯及其制备方法。所述氮掺杂石墨烯是采用化学气相沉积法制备的，具体包括如下步骤：将金属催化剂置于反应器中，在非氧化性气氛中加热使所述催化剂升温至200～600℃，然后向所述反应器中通入碳氮源进行反应，得到氮掺杂石墨烯，该技术在制备氮掺杂石墨烯的制备过程中，所需温度较高，工艺条件较苛刻。
[0005]溶剂热法、热处理法和等离子体法是后处理的方法，一般是将氧化石墨烯或石墨烯与氮源(NH3、三聚氰胺、尿素等)在一定条件下进行反应得到氮掺杂石墨烯。CN104925794A公开了一种以纳米孔石墨烯为基底生长三维氮掺杂石墨烯的方法。该技术以氧化石墨烯为前驱体，加入造孔剂，经处理在氧化石墨烯前驱体表面产生纳米级的微孔，然后通过等离子体活化技术，使前驱体与碳源和氮源结合实现不同氮含量的多孔氮掺杂石墨烯的生长，在高温下得到三维立体结构。所述三维氮掺杂石墨烯的制备方法中，各个制备过程所需温度较高，且在高温条件下，氮掺杂石墨烯中的氮元素不稳定，氮掺杂石墨烯中氮含量较低。CN103840160A公开了氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法。该氮掺杂石墨烯复合材料的制备方法包括步骤：制备氧化石墨烯悬浮液；制备含氧化石墨烯的凝聚状溶液；制备氮掺杂的氧化石墨烯溶液；采用微波加热活化的方法，制备氮掺杂石墨烯复合材料。该制备方法虽然无需在高温下进行，但是采用微波加热的方法，不适于氮掺杂石墨烯的工业化、规模化生产。
[0006]因此，如何开发一种简单易行、工艺条件温和，适于规模化生产的氮掺杂石墨烯的制备方法，已成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种氮掺杂石墨烯及其制备方法和应用。该制备方法简单易行，工艺条件温和，且可对氮掺杂量进行控制，适用于规模化生产。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种氮掺杂石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)将石墨烯进行活化处理，得到活化石墨烯；
[0011](2)将步骤(1)得到的活化石墨烯、卤化剂和催化剂进行卤化反应，得到卤化石墨烯；
[0012](3)将步骤(2)得到的卤化石墨烯与氮置换剂进行反应，得到所述氮掺杂石墨烯。
[0013]本专利技术提供的制备方法包括活化处理、卤化反应以及与氮置换剂的反应三个主要工艺步骤，通过独特的液相制备工艺得到了氮掺杂量可控的氮掺杂石墨烯，且所述制备方法可有效控制氮掺杂石墨烯的碳氮键的键型，生成较多的吡啶氮，利于调节石墨烯的电子能带结构，同时本专利技术提供的氮掺杂石墨烯的制备方法简单易行，工艺条件较温和，适于规模化生产。
[0014]以下作为本专利技术的优选技术方案，但不作为对本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的目的和有益效果。
[0015]作为本专利技术的优选技术方案，步骤(1)所述活化处理在溶剂存在下进行。
[0016]优选地，所述溶剂选自去离子水、乙醇或N
‑
甲基吡咯烷酮中的任意一种或至少两种的组合。
[0017]优选地，所述活化处理的pH为2～5，例如可以是2、2.3、2.5、2.8、3、3.2、3.5、3.7、4、4.3、4.5、4.8或5等。
[0018]优选地，所述活化处理的活化剂包括氯化氢、硫酸、硝酸、磷酸、苯六甲酸、氮硫方酸或三氯乙酸中的任意一种或至少两种的组合。
[0019]作为本专利技术的优选技术方案，所述活化处理的温度为50～100℃，例如可以是50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃等。
[0020]优选地，所述活化处理的时间为0.16～24h，例如可以是0.16h、0.2h、0.5h、1h、2h、4h、6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h或24h等。
[0021]作为本专利技术的优选技术方案，所述卤化剂选自卤素单质和/或可溶性卤盐。
[0022]优选地，所述卤素单质选自Cl2、Br2或I2中的任意一种或至少两种的组合。
[0023]优选地，所述可溶性卤盐选自NaCl、NaBr、NaI、KCl、KBr或KI中的任意一种或至少两种的组合。
[0024]优选地，所述卤化剂与步骤(1)所述石墨烯的质量比为(0.1～1):1，例如可以是0.1:1、0.2:1、0.3:1、0.4:1、0.5:1、0.6:1、0.7:1、0.8:1、0.9:1或1:1等。
[0025]优选地，所述催化剂选自铁和/或可溶性铁盐，进一步优选为铁、氯化铁、硝酸铁或硫酸铁中的任意一种或至少两种的组合。
[0026]优选地，所述催化剂与步骤(1)所述石墨烯的质量比为(0.02～0.2):1，例如可以是0.02:1、0.03:1、0.04:1、0.05:1、0.06:1、0.08:1、0.1:1、0.12:1、0.14:1、0.16:1、0.18:1或0.2:1等。
[0027]作为本专利技术的优选技术方案，所述卤化反应在溶剂存在下进行。
[0028]优选地，所述溶剂选自去离子水、乙醇或N
‑
甲基吡咯烷酮中的任意一种或至少两种的组合。
[0029]优选地，所述卤化反应的温度为50～100℃，例如可以是50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃等。
[0030]优选地，所述卤化反应的时间为0.5～4h，例如可以是0.5h、0.8h、1h、1.2h、1.5h、1.8h、2h、2.3h、2.5h、2.7h、3h、3.2h、3.5h、3.8h或4h等。
[0031]作为本专利技术的优选技术方案，所述氮置换剂选自一水合氨、三聚氰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将石墨烯进行活化处理，得到活化石墨烯；(2)将步骤(1)得到的活化石墨烯、卤化剂和催化剂进行卤化反应，得到卤化石墨烯；(3)将步骤(2)得到的卤化石墨烯与氮置换剂进行反应，得到所述氮掺杂石墨烯。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述活化处理在溶剂存在下进行；优选地，所述溶剂选自去离子水、乙醇或N
‑
甲基吡咯烷酮中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述活化处理的pH为2～5；优选地，所述活化处理的活化剂包括氯化氢、硫酸、硝酸、磷酸、苯六甲酸、氮硫方酸或三氯乙酸中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述活化处理的温度为50～100℃；优选地，所述活化处理的时间为0.16～24h。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述卤化剂选自卤素单质和/或可溶性卤盐；优选地，所述卤素单质选自Cl2、Br2或I2中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述可溶性卤盐选自NaCl、NaBr、NaI、KCl、KBr或KI中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述卤化剂与步骤(1)所述石墨烯的质量比为(0.1～1):1；优选地，所述催化剂选自铁和/或可溶性铁盐，进一步优选为铁、氯化铁、硝酸铁或硫酸铁中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述催化剂与步骤(1)所述石墨烯的质量比为(0.02～0.2):1。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述卤化反应在溶剂存在下进行；优选地，所述溶剂选自去离子水、乙醇或N
‑
甲基吡咯烷酮中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述卤化反应的温度为50～100℃；优选地，所述卤化反应的时间为0.5～4h。6.根据权利要求1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭强强，王鹏飞，
申请(专利权)人：湖州中科绿色制造产业创新中心，
类型：发明
国别省市：