一步制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的方法和裝置制造方法
【專利摘要】一步制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的方法和裝置，以氧化石墨烯為原材料，分別以尿素和二氟化氙為氮源和氟源，自行設計一個三層的石英杯，把50mg氧化石墨烯、50mg二氟化氙和6.0g尿素分別放在三層石英杯的上層、中層和下層，實現(xiàn)三者的有效分離；把三層石英杯裝進聚四氟乙烯內(nèi)杯，再把聚四氟乙烯內(nèi)杯裝進不銹鋼外罐，在200℃下反應10小時，自然冷卻至室溫，即得到所需的氟、氮雙摻氧化石墨烯。
【專利說明】一步制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的方法和裝置一、【技術領域】[0001]本發(fā)明涉及一種一步制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的方法和裝置。尤其是能實現(xiàn)氧化石墨烯、二氟化氣和尿素的有效分離和同步反應。二、【背景技術】[0002]自從氮摻雜氧化石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，由于其具有獨特的光電子特性，氮摻雜氧化石墨烯已被廣泛用于太陽能電池、鋰電池、超級電容以及光學等領域。而氟原子有很強的電負性，氟化石墨烯具有很強的穩(wěn)定性。相關的研究表明氟化石墨烯是一種寬帶隙的半導體， 在紫外區(qū)有明顯的熒光。理論研究表明，相對于一種原子的摻雜，同時進行兩種原子的摻雜將會降低不同原子之間的排斥作用，從而使摻雜更有效。目前報道的兩種原子摻雜石墨烯或氧化石墨烯通常采用氣相沉積法，先完成其中一種反應溫度較高的摻雜，然后再進行溫度較低的摻雜。本 申請人:研究組不久前已經(jīng)報道了氟、氮雙摻還原氧化石墨烯的方法，該方法是先利用氣相沉積法進行氮摻雜，然后再把氮摻雜所得的樣品通過消解罐加熱的方法進行氟摻雜。本發(fā)明方法是這種方法的有力補充，不需要特定的高溫爐和氨氣，且更簡單，易控制，且能一步同時完成氟和氮的雙摻，所得氟、氮雙摻雜氧化石墨烯的氟和氮含量高；且反應溫度低，所得氟、氮雙摻雜氧化石墨烯結構相比高溫反應所得樣品結構更完整，將能擴大氟、氮雙摻雜氧化石墨烯在光電材料方面的應用。本申請的一步制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的方法和裝置是氟、氮雙摻石墨烯研究的重大發(fā)現(xiàn)。三、
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的在于，提出一種更簡易、更快捷和更有效的氟、氮雙摻雜氧化石墨烯的制備方法及制備裝置。本發(fā)明通過分別以尿素和二氟化氙為氮源和氟源、以消解罐作為反應室在200°C下反應制備氟、氮雙摻雜氧化石墨烯。與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明工藝不不需要高溫爐等高溫處理設備，也不需要穩(wěn)定的氨氣為氮源來完成實驗。因此，本發(fā)明工藝具有低成本、低溫反應的特征。并且，此制備工藝簡單、過程容易控制，適宜大規(guī)模生產(chǎn)。[0004]本發(fā)明的技術方案是:制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的方法，其特征是以氧化石墨烯為原材料，分別以尿素和二氟化氙為氮源和氟源，將氧化石墨烯、二氟化氙和尿素分別放在制成的三層石英杯中，其中將氧化石墨烯放在三層石英杯的上層，二氟化氙放在三層石英杯的中層，尿素放在三層石英杯的下層，實現(xiàn)三者的有效分離；三層石英杯裝進聚四氟乙烯內(nèi)杯，聚四氟乙烯內(nèi)杯密閉；再把聚四氟乙烯內(nèi)杯裝進不銹鋼外罐，用水管鉗把不銹鋼外罐的蓋子擰緊；把不銹鋼外罐放進烘干箱，在200±20°C下恒溫反應10-24小時，自然冷卻至室溫。氧化石墨烯、二氟化氙和尿素三者的質(zhì)量比是0.8-1.2:0.8-1.2:50-150。[0005]本發(fā)明的有益 效果是:目前分別以尿素和二氟化氙為氮源和氟源、以消解罐為反應室在200°C左右的低溫下一步制備氟、氮雙摻雜氧化石墨烯從未見報道。用本發(fā)明的方法制備的氟、氮雙摻雜氧化石墨烯，氟、氮含量較高，其氟、氮原子個數(shù)百分含量分別達到5.30%和25.78% ;而氧含量較低，其原子個數(shù)百分含量僅為8.66%。[0006]用本發(fā)明制備的產(chǎn)品通過以下手段進行結構和性能表征:利用日本JEOL公司生產(chǎn)的JEM-200CX透射電子顯微鏡(TEM)直接觀察產(chǎn)品的形狀和尺寸；采用χ射線電子能譜儀分析樣品的氮摻雜情況。
四、【專利附圖】

【附圖說明】[0007]圖1是制備樣品所需三層的石英杯示意圖，從圖中可見上、中、下分層的石英杯能有效分離氧化石墨烯、二氟化氙和尿素，又能保證在加熱環(huán)境下同步反應。[0008]圖2是氧化石墨烯的透射電鏡觀測結果，從圖中可見產(chǎn)品具有相對平整的二維的透明膜狀結構。[0009]圖3是制備所得的氟、氮雙摻雜氧化石墨烯透射電鏡觀測結果，從圖中可見產(chǎn)品同樣具有相對平整的二維的膜狀結構，但其透明度有所下降，并且出現(xiàn)了較為明顯的皺褶。[0010]圖4是氧化石墨烯和氟、氮雙摻雜氧化石墨烯χ射線電子能譜圖，從圖中可見原始的氧化石墨烯(GO)在284.6eV和532eV出現(xiàn)了明顯碳峰和氧峰，而氟、氮雙摻雜氧化石墨烯(F，N-G0)則分別在400eV和685eV處多出現(xiàn)了兩個明顯的氟、氮峰，說明氟、氮原子已經(jīng)成功摻進了氧化石墨烯。
五、【具體實施方式】[0011]以下是本發(fā)明的實施例(實施例中所用試劑為化學純)。自行設計一個三層的石英杯，把50mg氧化石墨烯、50mg 二氟化氣和6.0g尿素分別放在三層石英杯的上層、中層和下層，實現(xiàn)三者的有效分離；把三層石英杯裝進100ml規(guī)格的聚四氟乙烯內(nèi)杯，聚四氟乙烯內(nèi)杯密閉；再把聚四氟乙烯內(nèi)杯裝進不銹鋼外罐，用水管鉗把不銹鋼外罐的蓋子擰緊，在 200°C下反應10小時，自然冷卻至室溫，即得到所需的氟、氮雙摻氧化石墨烯。[0012]本發(fā)明所述的專用的反應設備，三層石英杯包括上、中、下三層分離結構，可以是圓形容器；所述聚四氟乙烯內(nèi)杯容納三層石英杯、不銹鋼外罐容納聚四氟乙烯內(nèi)杯，所述聚四氟乙烯內(nèi)杯采用聚四氟乙烯蓋子，不銹鋼外罐采用不銹鋼外蓋且為密閉結構，即不銹鋼外蓋充分地抒緊。[0013]三層石英杯分離結構可以有二種形式:其一是通過聚四氟乙烯網(wǎng)隔離，或者是三層石英杯的側壁上通過石英桿連接。[0014]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的說明。[0015]自行設計一個三層的石英杯，以氧化石墨烯1為原材料，以二氟化氙2為氟源，以尿素3為氮源,把50mg氧化石墨烯I放在三層石英杯的上層,50mg 二氟化氣2放在三層石英杯的中層，6.0g尿素3放在三層石英杯的下層，實現(xiàn)氧化石墨烯1、二氟化氙2和尿素3 的有效分離，不需要額外處理多余的二氟化氙2和尿素3，從而保證所得摻雜氧化石墨烯的純度；把三層石英杯裝進100ml規(guī)格的聚四氟乙烯內(nèi)杯，再把聚四氟乙烯內(nèi)杯裝進不銹鋼外罐，并以水管鉗為輔助工具把不銹鋼外罐的不銹鋼蓋子充分地擰緊。制備樣品所需三層的石英杯示意圖見圖1。[0016]實施例中不銹鋼外罐容納三層石英杯且為密閉結構，即不銹鋼外蓋充分地擰緊。[0017]把裝好樣品的消解罐放進普通的烘干箱，在200°C下反應10小時，自然冷卻至室溫，即得到所需的氟、氮雙摻氧化石墨烯。把氧化石墨烯和制備所得的氟、氮雙摻雜氧化石墨烯進行透射電鏡觀測，結果分別見圖2和圖3。[0018]把氧化石墨烯和制備所得的氟、氮雙摻雜氧化石墨烯用χ射線電子能譜儀進行分析，樣品的電子能譜結果見圖4。[0019]進一步的，把裝好樣品的消解罐放進普通的烘干箱，在180°C或220°C反應至10小時亦可，得到的樣品與上述無顯著區(qū)別。而在200°C下反應至24小時，得到的樣品的氟和氮的含量將會發(fā)生變化，即可以通過反應時間來調(diào)節(jié)氟、氮的含量。[0020]雖然本發(fā)明已有技術方案和較佳實施例陳述如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬【技術領域】中具有通常知識者，在不脫離`本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的變化、更替與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。
【權利要求】
1.一步制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的方法，其特征是以氧化石墨烯為原材料，分別以尿素和二氟化氙為氮源和氟源，將氧化石墨烯、二氟化氙和尿素分別放在制成的三層石英杯， 其中將氧化石墨烯放在三層石英杯的上層，二氟化氙放在三層石英杯的中層，尿素放在三層石英杯的下層，實現(xiàn)三者的有效分離；三層石英杯裝進聚四氟乙烯內(nèi)杯，聚四氟乙烯內(nèi)杯密閉；再把聚四氟乙烯內(nèi)杯裝進不銹鋼外罐，不銹鋼外罐密閉；把不銹鋼外罐放進烘干箱， 在200±2(TC下恒溫反應10-24小時，自然冷卻至室溫；氧化石墨烯、二氟化氙和尿素三者的質(zhì)量比是 0.8-1.2:0.8-1.2:50-150。
2.根據(jù)權利要求1所述的制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的方法，其特征是以尿素和二氟化氙為氮源和氟源，把50mg氧化石墨烯放在三層石英杯上層，50mg 二氟化氙放在三層石英杯中層，6.0g尿素放在三層石英杯下層；把三層石英杯裝進聚四氟乙烯內(nèi)杯，聚四氟乙烯內(nèi)杯密閉；再把聚四氟乙烯內(nèi)杯裝進不銹鋼外罐，用水管鉗把不銹鋼外罐的蓋子擰緊，把不銹鋼外罐放進烘干箱，在200°C下恒溫反應10小時，自然冷卻至室溫。
3.制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的設備，其特征是包括三層石英杯和高壓消解罐，其中高壓消解罐包括聚四氟乙烯內(nèi)杯和不銹鋼外罐；所述三層石英杯包括上、中、下三層分離結構，所述聚四氟乙烯內(nèi)杯容納三層石英杯、不銹鋼外罐容納聚四氟乙烯內(nèi)杯，所述聚四氟乙烯內(nèi)杯采用聚四氟乙烯蓋子，不銹鋼外罐采用不銹鋼外蓋且為密閉結構，即不銹鋼外蓋充分地擰緊。
4.根據(jù)權利要求3所述的制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的設備，其特征是圓形容器。
5.根據(jù)權利要求3所述的制備氟、氮雙摻氧化石墨烯的設備，其特征是三層石英杯分離結構有二種形式:其一是通過聚四氟乙烯網(wǎng)隔離，或者是三層石英杯的側壁上通 過石英桿連接。
【文檔編號】C01B31/00GK103553017SQ201310479256
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權日:2013年10月14日
【發(fā)明者】劉富池, 湯怒江, 鐘偉, 都有為 申請人:南京大學