一种氮掺杂石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮掺杂石墨烯的制备方法，属于材料合成化学领域。该制备方法通过水热处理水合肼与氧化石墨烯的混合溶液，以水合肼作为还原剂和氮源，制备氮掺杂石墨烯。控制反应条件如原料质量比、反应温度、反应时间，可以制备不同氮含量的氮掺杂石墨烯。该方法所制备的氮掺杂石墨烯的氮含量为3.9～5.7wt.%，碳氧比为12～16%。本发明专利技术提供的制备方法流程简单，能耗低，产率高，易控制，易重现，极易推广使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料合成化学领域，涉及，具体涉及一种以水热反应制备氮掺杂石墨烯的方法。
技术介绍
氮掺杂石墨烯是一种元素氮改性的石墨烯，具有η型半导体特性、良好的反应活性和电催化性能，在晶体管、燃料电池、锂离子电池、生物传感器、超级电容器等领域具有重要的应用价值(Haibo Wang, Thandavarayan Maiyalagan, and Xin Wang, Review onrecent progress in nitrogen-doped graphene: synthesis, characterization, and itspotential applications ，ACS Catalysis, 2 (2012) 781-794.)。氮渗杂石墨烯的制备和性能研究有前瞻性和应用性，具有良好的前景。·文献 “Donghui Long, Wei Li，Licheng Ling, Jin Miyawakij Isao Mochidaj andSeong-Ho Yoon，Preparation of Nitrogen-Doped Graphene Sheets by a CombinedChemical and Hydrothermal Reduction of Graphene Oxide，Langmuir26 (2010):16096-16102”通过水热处理氧化石墨烯、水合肼和氨水的混合溶液，制备出氮掺杂石墨烯。该方法具有反应原料复杂，反应条件严格(pH=10)的缺点。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出，该制备方法具有反应原料简单，反应条件简单，产率高，能耗低，易控制，易重现的优点。技术方案，其特征在于步骤如下:步骤1、制备氧化石墨烯的水分散液:每份浓硫酸中混合3g的鳞片石墨粉和1.5g的NaNO3,在冰水浴中冷却3h，而后使得体系温度升为0°c ;保持体系温度20°C以下，向混合溶液中加入9g的KMnO4 ;然后移入油浴锅，在35°C恒温下保持2h后，加入去离子水，IOmin后，加入稀释的双氧水，得到亮黄色溶液；分别用10%的盐酸和蒸馏水反复洗涤，抽滤，透析所得粘稠固体至pH值接近中性；干燥、研磨所得固体，得氧化石墨；称取60 140mg氧化石墨置入60 70mL蒸懼水中，用超声波清洗器超声分散2h,配制成浓度为I 2mg/mL的深黄色氧化石墨烯的水分散液；步骤2、配制氧化石墨烯与水合肼的混合溶液:量取I 2mL水合肼溶液，倒入步骤I所配制的氧化石墨烯的水分散液中，磁力加热搅拌lOmin，得到均匀的混合溶液，其中氧化石墨烯水分散液与水合肼溶液的体积比为30 70: I ；步骤3、水热处理氧化石墨烯与水合肼的混合溶液:将步骤2所得混合溶液移入不锈钢水热釜中，控制填充度为70 80% ;密封水热釜放置烘箱中，设置水热反应温度为160 200°C，水热反应时间为8 12h ;反应结束后，自然冷却到室温；步骤4:打开水热釜，取出反应产物，过滤，分别用蒸馏水、乙醇、丙酮反复清洗三次，在60°C真空干燥24h，收集黑色粉体，得氮掺杂石墨烯。所述超声波清洗器超声分散时的功率为300W，频率为40KHz。所述水合肼溶液为80wt.%。有益效果本专利技术提出的，有益效果是:(I)所采用的制备方法中，原料简单:仅采用水合肼为原料，既作为氮源，又作为还原剂，采用水热反应实现氧化石墨烯的原位氧还原与氮掺杂。(2)所采用的制备方法中，反应条件简单:对反应溶液的pH值无特定要求，制备方法简便易行。(3)所采用的水热工艺流程简单，仅需要一个水热釜，对设备要求低，成本低廉，反应过程易控制，影响因素较少，重现性好，可规模化生产，其制备技术极易推广使用。(4)所采用的水热温度较低，能耗低，节约能源。(5)本专利技术可以根据对产品性质的需要，改变原料质量比、反应温度、时间等条件，制备不同氮含量(3.9 5.7wt.%)的氮掺杂石墨烯；同时碳氧比可达12 16%。(6)氮掺杂石墨烯的产率一般在90%_95%。附图说明`图1:是本专利技术实施例3所制备的氮掺杂石墨烯的扫描电镜照片；图2:为本专利技术实施例3所制备的氮掺杂石墨烯的透射电镜照片；图3:为氧化石墨烯与本专利技术实施例3所制备的氮掺杂石墨烯的X射线光电子能谱图。具体实施例方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述:实施例1(I)氧化石墨烯的水分散液的制备:将烧瓶放置于冰水浴中，倒入适量浓硫酸；将3g鳞片石墨粉、1.5g NaNO3倒入烧瓶中，搅拌均匀，而后冷却3h，使得体系温度为0°C ;向混合溶液中加入9g KMnO4，搅拌均匀，期间保持体系温度在20°C以下；将烧瓶移入油浴锅，35°C恒温2h后，加入去离子水，IOmin后，加入稀释的双氧水，得到亮黄色溶液;过滤反应物，分别用10%的盐酸和蒸馏水反复洗涤，抽滤，透析所得粘稠固体至pH值接近中性；干燥、研磨所得固体，即得氧化石墨；称取60mg氧化石墨，量取60mL蒸馏水，倒入烧杯中，用常规超声波清洗器超声(40KHz，300W)分散2h，配制成浓度为lmg/mL的深黄色氧化石墨烯的水分散液。(2)配制氧化石墨烯与水合肼的混合溶液:量取ImL水合肼溶液(80wt.%)，倒入步骤I所配制的氧化石墨烯的水分散液中，磁力加热搅拌lOmin，得到均匀的混合溶液，其中氧化石墨烯水分散液与水合肼溶液的体积比为60:1 ;(3)水热处理氧化石墨烯与水合肼的混合溶液:将步骤2所得混合溶液移入不锈钢水热釜中，控制填充度为75%;密封水热釜后，放置于烘箱中；设置水热反应温度为180°C，水热反应时间为IOh ;反应结束后，自然冷却到室温；(4)反应产物的处理:打开水热釜，取出反应产物，过滤，分别用蒸馏水、乙醇、丙酮反复清洗三次，60°C真空干燥24h，收集黑色粉体，即得氮掺杂石墨烯。本实施例所制备的氮掺杂石墨烯的氮含量为3.9wt.%，碳氧比为14.6%。实施例2(I)氧化石墨烯的水分散液的制备:将烧瓶放置于冰水浴中，倒入适量浓硫酸；将3g鳞片石墨粉、1.5g NaNO3倒入烧瓶中，搅拌均匀，而后冷却3h，使得体系温度为0°C ；向混合溶液中加入9g KMnO4，搅拌均匀，期间保持体系温度在20°C以下；将烧瓶移入油浴锅，35°C恒温2h后，加入去离子水，IOmin后，加入稀释的双氧水，得到亮黄色溶液;过滤反应物，分别用10%的盐酸和蒸馏水反复洗涤，抽滤，透析所得粘稠固体至pH值接近中性；干燥、研磨所得固体，即得氧化石墨；称取70mg氧化石墨，量取70mL蒸馏水，倒入烧杯中，用常规超声波清洗器超声(40KHz，300W)分散2h，配制成浓度为lmg/mL的深黄色氧化石墨烯的水分散液。(2)配制氧化石墨烯与水合肼的混合溶液:量取2mL水合肼溶液(80wt.%)，倒入步骤I所配制的氧化石墨烯的水分散 液中，磁力加热搅拌lOmin，得到均匀的混合溶液，其中氧化石墨烯水分散液与水合肼溶液的体积比为35:1 ;(3)水热处理氧化石墨烯与水合肼的混合溶液:将步骤2所得混合溶液移入不锈钢水热釜中，控制填充度为80%;密封水热釜后，放置于烘箱中；设置水热反应温度为160°C，水热反应时间为8h ;反应结束后，自然冷却到室温；(4)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1、制备氧化石墨烯的水分散液：每份浓硫酸中混合3g的鳞片石墨粉和1.5g的NaNO3，在冰水浴中冷却3h，而后使得体系温度升为0℃；保持体系温度20℃以下，向混合溶液中加入9g的KMnO4；然后移入油浴锅，在35℃恒温下保持2h后，加入去离子水，10min后，加入稀释的双氧水，得到亮黄色溶液；分别用10%的盐酸和蒸馏水反复洗涤，抽滤，透析所得粘稠固体至pH值接近中性；干燥、研磨所得固体，得氧化石墨；称取60～140mg氧化石墨置入60～70mL蒸馏水中，用超声波清洗器超声分散2h，配制成浓度为1～2mg/mL的深黄色氧化石墨烯的水分散液；步骤2、配制氧化石墨烯与水合肼的混合溶液：量取1～2mL水合肼溶液，倒入步骤1所配制的氧化石墨烯的水分散液中，磁力加热搅拌10min，得到均匀的混合溶液，其中氧化石墨烯水分散液与水合肼溶液的体积比为30～70︰1；步骤3、水热处理氧化石墨烯与水合肼的混合溶液：将步骤2所得混合溶液移入不锈钢水热釜中，控制填充度为70～80%；密封水热釜放置烘箱中，设置水热反应温度为160～200℃，水热反应时间为8～12h；反应结束后，自然冷却到室温；步骤4：打开水热釜，取出反应产物，过滤，分别用蒸馏水、乙醇、丙酮反复清洗三次，在60℃真空干燥24h，收集黑色粉体，得氮掺杂石墨烯。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李贺军，罗慧娟，付前刚，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：