本發(fā)明屬于氮摻雜石墨烯制備領(lǐng)域，具體涉及氮摻雜石墨烯制備的方法。

背景技術(shù)：

1、石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景。研究表明，通過摻雜氮等雜原子能夠修飾石墨烯的物理、光學(xué)、電學(xué)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。值得注意的是，石墨烯的化學(xué)摻雜產(chǎn)生了一個帶隙，它表現(xiàn)得像n型半導(dǎo)體。由于石墨烯的p軌道與氮的孤對電子的相互作用，石墨烯的電催化活性顯著增加。為了改善石墨烯與氫原子的相互作用，引入氮等雜原子是一種有效的方法。最近，一些理論和實驗研究表明，氮化石墨烯也是一種有潛力的儲氫材料。氮摻雜石墨烯廣泛應(yīng)用于鋰離子電池、超級電容器、石墨烯基催化劑、電催化氧還原反應(yīng)、染料敏化太陽能電池對電極等領(lǐng)域，表現(xiàn)出良好的性能。

2、迄今為止，許多合成方法，包括化學(xué)氣相沉積(cvd)、熱退火、熱解、電弧放電、等離子體處理、n2h4處理、水熱法、溶劑熱法、微波輔助水熱、濕化學(xué)合成、微波處理、火焰處理、超臨界反應(yīng)法和凍干輔助熱處理，已經(jīng)被用來制備n摻雜石墨烯。摻雜n原子的石墨烯片會在晶格內(nèi)產(chǎn)生三種常見的鍵構(gòu)型，包括吡啶n、石墨n和吡咯n。其中，討論最多的是吡啶n和吡咯n。文獻(journal?of?materials?chemistry,2011,21(22):8038-8044.)報道了在氨存在下，將氫氣和乙烯在銅箔上熱cvd合成摻雜純吡啶n的單層石墨烯。這種吡啶n摻雜在碳材料中通常被認(rèn)為是其orr(氧還原反應(yīng))活性增強的原因。但由于需要使用高純度乙烯、氫氣和氨氣作為氣源在純銅上高溫900℃下反應(yīng)，能量損耗大，尾氣難以除去，易造成環(huán)境污染。文獻(physical?chemistry?chemical?physics,2010,12(38):12055-12059.)等人將石墨通過化學(xué)方法氧化成為氧化石墨烯，然后在高溫下盛有氧化石墨烯的管式爐中通氬氣、氫氣和氨氣方法，使得氧化石墨烯改性合成n摻雜石墨烯，所得材料在甲醇氧化方面表現(xiàn)出比pt更高的電化學(xué)活性。結(jié)果表明，與原始石墨烯相比，n摻雜確實可以提高石墨烯的性能。但其合成方法復(fù)雜，合成原料昂貴，合成過程伴隨強酸、強堿和強氧化劑的使用，會對環(huán)境造成較大污染。

3、綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的由石墨制得氮摻雜石墨烯步驟復(fù)雜、制備條件嚴(yán)苛、產(chǎn)生有害氣體和能量損耗大的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決將石墨制成氮摻雜石墨烯的制備過程簡便并且條件溫和、無有害氣體產(chǎn)生以及能量損耗低的問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供一種制備氮摻雜石墨烯的方法，其中，包括以下步驟：以石墨片狀材料作為工作電極，以鉑片、金片、石墨箔片中的一種作為對電極，在電解液環(huán)境下，對所述石墨片狀材料進行電化學(xué)氧化剝離；剝離完成后，將電解液進行過濾分離，對固體產(chǎn)物進行清洗、過濾、離心分離、真空干燥后得到高質(zhì)量氮摻雜石墨烯；

3、其中，所述電解液包括電解質(zhì)和氮源添加劑；

4、其中，所述電解質(zhì)為甲烷磺酸鹽或氨基磺酸鹽；

5、其中，所述氮源添加劑為水溶性含氮化合物且其電解產(chǎn)生含氮自由基。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明提供的方法能夠?qū)崿F(xiàn)石墨箔片一步轉(zhuǎn)化為氮摻雜石墨烯，制得的氮摻雜石墨烯氧化程度低，制備過程電解剝離過程較快，無有害氣體產(chǎn)生，能量損耗低，過程簡便，成本低，溶液重復(fù)利用率高。

技術(shù)特征：

1.一種制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步驟：以石墨片狀材料作為工作電極，以鉑片、金片、石墨箔片中的一種作為對電極，在電解液環(huán)境下，對所述石墨片狀材料進行電化學(xué)氧化剝離；剝離完成后，將電解液進行過濾分離，對固體產(chǎn)物進行清洗、過濾、離心分離、真空干燥后得到高質(zhì)量氮摻雜石墨烯；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮源添加劑選自硫脲、尿素、硫代乙酰胺、乙酸甲脒、甘氨酸、l-半胱氨酸、l-精氨酸、碳酸銨、硝酸銨、4-吡啶甲醇和4-吡啶甲酸中的至少一種；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電化學(xué)剝離的時間為0.5-2h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述石墨片狀材料的厚度為0.1mm-3mm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電解液中電解質(zhì)的濃度為0.1m-3m。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電解液中氮源添加劑的濃度為0.01m-2m。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電化學(xué)剝離過程中，對工作電極施加的正電勢為6-13v。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述清洗為超聲清洗，超聲功率工作頻率為35-52khz；超聲時間為10-30min；超聲溫度為0-30℃。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述離心分離的離心轉(zhuǎn)速8000-12000r/min；離心時間為5-15min。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述真空干燥的溫度為50-80℃；真空干燥時間為24-72h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及氮摻雜石墨烯制備領(lǐng)域，具體涉及一種制備方法。該制備方法包括以下步驟：以石墨片狀材料作為工作電極，以鉑片、金片、石墨箔片中的一種為對電極，在電解液環(huán)境下，對所述石墨片狀材料進行電化學(xué)氧化剝離；剝離完成后，將電解液進行過濾分離，對固體產(chǎn)物進行清洗、過濾、離心分離、真空干燥后得到高質(zhì)量氮摻雜石墨烯；所述電解液包括電解質(zhì)和氮源添加劑；所述電解質(zhì)為甲烷磺酸鹽或氨基磺酸鹽；所述氮源添加劑為水溶性含氮化合物且其電解產(chǎn)生含氮自由基。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)石墨箔片一步轉(zhuǎn)化為氮摻雜石墨烯，制得的氮摻雜石墨烯氧化程度低，制備過程電解剝離速率較快，無有害氣體產(chǎn)生，能量損耗低，過程簡便，成本低，溶液重復(fù)利用率高。

技術(shù)研發(fā)人員：張培立,林彥強,曾慶帥,鄭闊
受保護的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19