一种微波快速制备掺氮碳材料的方法技术

一种掺氮碳材料的制备方法，它是在微波炉中放入有气体回路的密封容器，将碳材料均匀铺在密封容器中，通入高纯氨气，氨气排走容器中的空气，碳材料处于氨气氛围中，持续通入氨气，启动微波炉，碳材料吸收微波迅速升温，在高温下与氨气发生反应，实现氮的掺杂，待碳材料自然冷却，关闭氨气，搅拌碳材料让其混合均匀，再次通入氨气后，启动微波炉，如此反复多次，得到掺氮碳材料。本发明专利技术的掺氮碳材料制备方法的特点是设备、操作简单，反应快速，掺氮碳材料含氮量高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳材料掺氮的制备方法。碳材料掺氮可以优化碳材料的性能，可以适用于催化剂材料领域，特别是燃料电池催化剂载体。
技术介绍
碳材料具有高比强度、高比模量、耐热、耐化学腐蚀、耐摩擦、导电、导热、抗辐射、良好的阻尼、减震、降噪等一系列综合性能，广泛应用于航空航天、国防军事等尖端领域以及高级体育用品、医疗器械、机械、交通等民用领域。其中，新型纳米碳材料，如石墨烯、C6(I、 碳纳米管，由于比表面积大、导电性好、机械强度高，在储氢、超级电容器、催化剂等方面有广阔的应用前景。然而一个不容忽视的问题就是碳材料本身总含有大量的缺陷，这严重影响了碳材料的综合性能，限制了其进一步应用。碳材料的性能与其结晶度、宏微观结构和表面特性等方面有很大的关系，通过高温掺氮方法可以有效减少碳材料自身缺陷，提高其稳定性和导电性能。碳材料在高温下容易发生氧化，掺氮后的碳材料缺陷会显著减少，极大提高了其热稳定性能。碳材料掺氮后也能改善本身的电子特性氮比碳外层多一个电子，能提高碳材料的导电性；能让碳材料表面呈现电负性，有利于纳米粒子的吸附。这些特性促进了碳材料在储氢、超级电容器、催化剂等领域的进一步广泛应用。迄今为止，科学家们探索了多种碳材料掺氮的方法，如氨气退火法(L.S. Zhang et al. , Phys. Chem. Chem. Phys. 12 (2010) 12055-12059)，水热法(D. H. Long et al. , Langmuir (26) 2010 16096-16102)，化学气相沉积法(M. Terrones et al. Appl. Phys. Lett. 5 (1999) 3932-3934)，有机化学掺杂法(Y. Wang et al. AcsNano. 4 (2010) 1790-1798)，电弧放电法(N. Li et al. , Carbon 48 (2010) 255-259)，超声共振法(D.W. Wang, Chem. Commun. 12 (2010) 1423-1427)等方法。然而，这些方法都存在不足氨气退火法生产周期长，通常需要加热几小时甚至十几个小时，耗费能量大；水热法产率低，水热斧中空间有限，不利于工业化生产，且反应时间长；化学气相沉积法与电弧放电法对设备要求高，操作复杂，成本高且不利于大规模生产；有机化学掺杂法需要先把碳源与有机氮源均勻混合，然后高温掺杂，流程比较繁琐，生产周期长；超声共振法掺氮效率低， 氮源为水合胼，毒性高。因此，探寻一种简单、高效、低成本的碳材料掺氮方式，提高碳材料的稳定性与导电性，为充分利用碳材料奠定了基础。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术中的不足，提供了一种工艺简单、成本低廉、快速高效的碳材料掺氮的方法。本专利技术通过以下方式实现。—种掺氮碳材料的制备方法，其特征包括以下步骤1、在微波炉中放入有气体回路的密封容器，将碳材料均勻铺在密封容器中，通入高纯氨气，氨气排走容器中的空气，碳材料处于氨气氛围中，同时也避免高温下碳材料与空气接触发生燃料反应； 2、持续通入氨气，启动微波炉，碳材料吸收微波迅速升温，在高温下与氨气发生反应， 实现氮的掺杂；3、待碳材料自然冷却，关闭氨气，搅拌碳材料让其混合均勻，再次通入氨气后，启动微波炉，如此反复多次，得到掺氮碳材料。上述的掺氮碳材料的制备方法，所述的碳材料是石墨烯、石墨或炭黑。本专利技术的掺氮碳材料制备方法的特点是设备、操作简单，反应快速。与已有的方法相比，微波法掺氮具有如下优势(1)碳材料自身能吸收微波，加热速度快，短时间内温度可达到500°C以上；( 掺杂速度快，生产周期短，整个过程只需几分钟；C3)掺氮碳材料含氮量高；(4)工艺过程简单，操作方便，反应时间可以根据实际需要灵活调控，可实现工业化生产。附图说明图1为微波法掺氮前后石墨烯的XPS图。掺氮反应之前，石墨烯完全没有氮峰；石墨烯微波掺杂之后，在500 eV附近出现明显的氮峰，说明氮已经掺进了石墨烯。图2为掺氮石墨烯载钼与石墨烯载钼的甲醇氧化循环伏安曲线。图3为掺氮石墨烯载钼与石墨烯载钼的热重曲线。具体实施例方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。实施例1 掺氮石墨烯的制备(1)将一个容量为100 ml的三口烧瓶固定于微波炉中(Galanz，2450 M Hz, 800 W), 三口烧瓶中间口密封，另两个口做成密封回路，用于氨气流通；微波炉壁上设置两个小孔， 使烧瓶的进出气橡胶管连接到微波炉外界，设置小孔时注意屏蔽，防止微波泄露；把150 mg 石墨烯均勻铺在烧瓶底部，进气口连接高纯氨气，出气口连接稀盐酸溶液，吸收剩余氨气； 流量计调节氨气流量，氨气流量为200 sccm,通气5分钟，充分除去烧瓶中的空气，使石墨烯完全处于氨气氛围中。(2)开启微波炉，反应时间1分钟，石墨烯吸收微波迅速产生高温，在高温下产生红热现象。石墨烯在高温下与氨气反应，部分碳原子被氨气中的氮原子取代；与此同时，石墨烯表面的官能团在高温下分解。整个反应过程继续保持氨气通入，氨气流量为200 Sccm0(3)反应结束后待样品自然冷却，关闭氨气。为了使掺杂更加均勻，充分搅拌石墨烯使其混合均勻。重新将三口烧瓶放入微波炉，通入氨气，重复以上操作三次，得到掺氮石墨烯。微波法掺氮前后石墨烯的XPS图见图1。(4) 80 mg掺氮石墨烯加入到30 ml乙二醇中，超声分散30分钟。加入2. 7 ml 0.038 mol/L氯钼酸乙二醇溶液，钼的担载量为20 wt%。用1 mol/L氢氧化钠乙二醇溶液调节PH至12，把溶液放入微波炉中，间歇微波(开10秒停20秒)十次，防止微波时间太长过热；乙二醇作为还原剂，把钼离子还原成纳米钼粒子沉积在掺氮石墨烯表面。冷却至室温，用1 1盐酸水溶液调节PH值至3，加入50 ml去离子水沉降3小时；溶液进行抽滤，用热水反复洗涤，冷冻干燥12小时，得到钼/掺氮石墨烯质子交换膜燃料电池催化剂。作为对比实验，用同样的方法制备了钼/石墨烯燃料电池催化剂。表1为微波法掺氮前后石墨烯的元素分析。掺氮石墨烯的含氮量为8. 64 wt. %，并且氧含量大大降低，说明在实现掺氮的同时，表面含氧官能发生了热分解或被氮原子取代。表 权利要求1.一种掺氮碳材料的制备方法，其特征是包括以下步骤步骤1、在微波炉中放入有气体回路的密封容器，将碳材料均勻铺在密封容器中，通入高纯氨气，氨气排走容器中的空气，碳材料处于氨气氛围中，同时也避免高温下碳材料与空气接触发生燃料反应；步骤2、持续通入氨气，启动微波炉，碳材料吸收微波迅速升温，在高温下与氨气发生反应，实现氮的掺杂；步骤3、待碳材料自然冷却，关闭氨气，搅拌碳材料让其混合均勻，再次通入氨气后，启动微波炉，如此反复多次，得到掺氮碳材料。2.根据权利要求1所述的掺氮碳材料的制备方法，其特征是所述的碳材料是石墨烯、 石墨或炭黑。全文摘要一种掺氮碳材料的制备方法，它是在微波炉中放入有气体回路的密封容器，将碳材料均匀铺在密封容器中，通入高纯氨气，氨气排走容器中的空气，碳材料处于氨气氛围中，持续通入氨气，启动微波炉，碳材料吸收微波迅速升温，在高温下与氨气发生反应，实现氮的掺杂，待碳材料自然冷却，关闭氨气，搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种掺氮碳材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：步骤１、在微波炉中放入有气体回路的密封容器，将碳材料均匀铺在密封容器中，通入高纯氨气，氨气排走容器中的空气，碳材料处于氨气氛围中，同时也避免高温下碳材料与空气接触发生燃料反应；步骤２、持续通入氨气，启动微波炉，碳材料吸收微波迅速升温，在高温下与氨气发生反应，实现氮的掺杂；步骤３、待碳材料自然冷却，关闭氨气，搅拌碳材料让其混合均匀，再次通入氨气后，启动微波炉，如此反复多次，得到掺氮碳材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建国，辛宇尘，王忠伟，揭晓，邹志刚，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84