氮掺杂石墨烯的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种氮掺杂石墨烯的制备方法及其在超级电容器中的应用，氮掺杂石墨烯的制备方法具体为：将碳材料与含有活性氮元素的化合物置于密闭容器中，加热至100~300℃，得到氮掺杂石墨烯。制备氮掺杂石墨烯的过程中，在加热条件下，将含有活性氮元素的化合物中的氮元素掺杂进碳材料中，从而得到氮掺杂石墨烯。本发明专利技术采用上述方法制备氮掺杂石墨烯，避免了采用较高的反应温度，制备条件温和且生产成本较低。将本发明专利技术制备的氮杂石墨烯应用于超级电容器的电极材料，电流密度5A/g时，超级电容器的比容量可达190F/g；循环10000次，容量保持率为96.3%。

【技术实现步骤摘要】
氮掺杂石墨烯的制备方法及其应用
本专利技术涉及石墨烯
，尤其涉及氮掺杂石墨烯的制备方法及其应用。
技术介绍
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，使其具有极高的强度、良好的导电性和极好的透光性等各种优异的物理化学特性，因此石墨烯在场发射晶体管、超级电容器、锂离子电池等领域具有重要的应用价值。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，石墨烯烃掺杂后能带结构发生调整，从而使石墨烯的应用范围有极大的扩展，并且性能也相应的提高。例如:将掺杂后的石墨烯作为超级电容器的电极材料，不仅导电性有所提高，杂原子的掺入也可以产生赝电容，进一步提高电容器的比容量。因此石墨烯的掺杂已经成为物理学、化学和材料学众多学科研究者关注的热点。2009年，刘云圻课题组首次报道了氮掺杂石墨烯的制备方法。作者采用化学气相沉积法，以氨气作为氮源，甲烷作为碳源，在800°C下保温lOmin，制备了少数几层氮掺杂石墨烯。目前，现有的掺杂石墨烯主要是氮掺杂，例如，以氧化石墨烯为原料，以氨气为氮源，进行高温退火制得氮掺杂石墨烯，此方法制备氮掺杂石墨烯需要较高的温度，使氮掺杂石墨烯的推广带来了局限性。由于现有技术氮掺杂石墨烯的制备方法，需要较高的加热温度，其制备条件苛刻，使氮掺杂石墨烯的制备受到了很大的限制。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种氮掺杂石墨烯的制备方法，该方法条件温和，且成本较低。有鉴于此，本专利技术提供了一种氮掺杂石墨烯的制备方法，包括:将碳材料与含有活性氮元素的化合物置于密闭容器中，加热至10(T30(TC，反应后得到氮掺杂石墨烯，所述含有活性氮元素的化合物为气体和/或固体，所述碳材料为石墨烯或氧化石墨烯。优选的，所述氧化石墨烯的制备方法为:将浓度为lmg/mfl5mg/ml的氧化石墨烯胶体超声0.5~2h,冷冻干燥,得到氧化石墨稀。优选的，所述密闭容器中还包括活化剂。优选的，所述活化剂为水蒸气、二氧化碳、氯化锌、氢氧化钾或磷酸。优选的，所述碳材料与所述活化剂的质量比为0.1:1~?0:1ο优选的，所述含有活性氮元素的化合物为一氧化氮、二氧化氮、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、尿素、三聚氰胺和硝酸银的一种或几种。优选的，所述密闭容器中充满保护性气体。优选的，所述反应的时间为0.5~30h。优选的，所述石墨烯或氧化石墨烯与所述含有活性氮元素的化合物的质量比为0.1:1~50:1。上述方案所述的氮掺杂石墨烯在制备超级电容器的电极材料中的应用。本专利技术提供了一种氮掺杂石墨烯的制备方法，具体为:将碳材料与含有活性氮元素的化合物置于密闭容器中，加热至10(T30(TC，反应后得到氮掺杂石墨烯。在制备氮掺杂石墨烯的过程中，在加热条件下，将含有活性氮元素的化合物中的氮元素掺杂进碳材料中，从而得到氮掺杂石墨烯。本专利技术将含有活性氮元素的化合物在密闭的环境中与碳材料反应，增加了密闭容器的压力，有利于促进活性氮元素进行掺杂，从而使氮元素在较低的温度下就可进行掺杂。本专利技术采用上述方法制备氮掺杂石墨烯，避免了采用较高的反应温度，从而使制备条件温和且生产成本较低。将本专利技术制备的氮杂石墨烯应用于超级电容器的电极材料，实验结果表明，电流密度5A/g时，超级电容器的比容量可达190F/g ;循环10000次，容量保持率为96.3%。【附图说明】图1为氮掺杂石墨烯的透射电镜图；图2为氮掺杂石墨烯 的TEM选区电子衍射图；图3为不同反应时间下氮掺杂石墨烯的X射线光电子能谱(XPS)图；图4为氮掺杂石墨烯中N(Is)的XPS分峰谱图；图5为氮掺杂石墨烯电极材料在电流密度5A/g条件下的循环曲线图。【具体实施方式】为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。本专利技术实施例公开了一种氮掺杂石墨烯的制备方法，具体步骤为:将碳材料与含有活性氮元素的化合物置于密闭容器中，加热至10(T30(TC，反应后得到氮掺杂石墨烯，所述含有活性氮元素的化合物为气体和/或固体，所述碳材料为石墨烯或氧化石墨烯。按照本专利技术，在上述制备氮掺杂石墨烯的过程中，所述氧化石墨烯具体按下述方法制备:将浓度为lmg/mfl5mg/ml的氧化石墨烯胶体,超声0.5^2h后,冷冻干燥，即得到氧化石墨烯。为了保证氧化石墨烯破碎的更加均匀细小，所述氧化石墨烯的浓度优选为5~10mg/ml，所述超声的时间优选为f 1.5h。上述冷冻干燥的原理为:将待干燥物快速冻结后，再在高真空条件下将其中的冰升华为水蒸气而除去的干燥方法。本专利技术将氧化石墨烯超声振荡后，进行冷冻干燥，将其中的水除去，并且有效地保证了氧化石墨烯的活性，得到了氧化石墨烯。为了增加所述含有活性氮元素的化合物与所述碳材料的接触面积，最大程度地降低氮掺杂所需要的反应温度，作为优选方案，将所述碳材料与所述含有活性氮元素的化合物混合均匀后，再进行冷冻干燥，得到粉体后，再置于密闭容器中反应。本专利技术的氧化石墨烯胶体优选为Hmnmers法制备的,石墨烯胶体优选为宁波墨西科技有限公司。所述含有活性氮元素的化合物为气体和/或固体，优选为一氧化氮、二氧化氮、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、尿素和三聚氰胺的一种或几种。上述含有活性氮元素的气体置于密闭容器中产生压力，能够增加密闭容器的压力，从而降低反应的能量，使其中含有的活性氮易于掺杂在石墨烯中，而上述磷酸二氢铵、尿素和三聚氰胺在加热条件下，分解出氨气，从而在石墨烯中进行氮掺杂，另外含有活性氮元素的固体中的碳酸铵在加热条件下，分解出二氧化碳与氨气，二氧化碳对碳材料石墨烯或氧化石墨烯具有活化作用，增加碳材料的反应活性，使氮掺杂易于进行，同时二氧化碳与氨气增加了密闭容器的压力，更容易进行氮掺杂，从而使氮掺杂在较低的温度下进行即可。同样对于含有活性氮元素的碳酸氢铵，在加热条件下，分解出二氧化碳、水蒸气和氨气，二氧化碳和水蒸气对碳材料石墨烯或氧化石墨烯具有活化作用，极大地增加了碳材料的反应活性，使氮掺杂易于进行，同时二氧化碳、水蒸气和氨气增加了密闭容器的压力，更容易进行氮掺杂，从而使氮掺杂在较低的温度下进行即可。按照本专利技术，所述含有活性氮元素的化合物更优选为碳酸氢铵或碳酸铵。为了降低反应需要的能量，使氮掺杂反应易于进行，本专利技术在进行氮掺杂的过程中还包括活化剂。所述活化剂优选为为水蒸气、二氧化碳、氯化锌、氢氧化钾或磷酸，其中的水蒸气或二氧化碳对氧化石墨烯或石墨烯中的碳元素具有活化作用，能够提高碳元素的反应活性，从而降低了氮元素掺杂时所需要的能量；同时在密闭容器中，所述二氧化碳或水蒸气也能增加密闭容器的压力，使反应更容易进行，从而使氮易于掺杂入石墨烯中。而对于所述氯化锌、氢氧化钾或磷酸，其主要起活化作用，能够增加碳元素的反应活性，从而降低了氮元素掺杂时的反应活性。按照本专利技术，所述活化剂优选为二氧化碳或水蒸气。本专利技术通过调节所述含有活性氮元素的化合物与所述碳材料的质量比，达到控制氮掺杂石墨烯中氮含量的目的，所述碳材料与所述铵盐的质量比优选为1:30-10:1，更优选为 1:5~2:1。本专利技术优选在密闭容器中充满保护性气体，将原料置于保护性气氛是为了防止碳材料被氧化，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：将碳材料与含有活性氮元素的化合物置于密闭容器中，加热至100~300℃，反应后得到氮掺杂石墨烯，所述含有活性氮元素的化合物为气体和/或固体，所述碳材料为石墨烯或氧化石墨烯。

【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，包括: 将碳材料与含有活性氮元素的化合物置于密闭容器中，加热至10(T30(TC，反应后得到氮掺杂石墨烯，所述含有活性氮元素的化合物为气体和/或固体，所述碳材料为石墨烯或氧化石墨烯。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯的制备方法为: 将浓度为lmg/mfl5mg/ml的氧化石墨烯胶体超声0.5~2h,冷冻干燥,得到氧化石墨烯。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述密闭容器中还包括活化剂。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述活化剂为水蒸气、二氧化碳、氯化锌、氢氧化钾或磷酸。5.根据权利要求3所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兆平，曹海亮，周旭峰，唐长林，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：