CN102887502B - 一种掺氮石墨烯的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种掺氮石墨烯的合成方法，包括步骤有：提供清洗、干燥的衬底；在衬底表面涂覆含有催化剂的溶液，该催化剂为水溶性金属盐；在无氧条件下，将涂覆有催化剂的衬底的温度升至500～1300℃，再通入还原气体，还原催化剂，接着通入气态的有机碳源化合物和气态的氮源化合物进行反应，得到所述掺氮石墨烯。本发明掺氮石墨烯的合成方法采用水溶性金属盐作为催化剂，有效提高了催化剂在衬底表面的分布的均匀性，以及将气态的有机碳源化合物和气态的氮源化合物同步进料，一步合成，简化了掺氮石墨烯的生产工艺，降低了生产成本。同时，采用化学气相沉积法合成的掺氮石墨烯，使得掺氮石墨烯中氧元素含量低，电化学稳定性能高。

Description

一种掺氮石墨烯的合成方法

技术领域

本发明属于碳材料的技术领域，具体涉及一种掺氮石墨烯的合成方法。

背景技术

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体，为单层或多层的极薄的碳材料。由于其独特的结构和光电性质使其成为碳材料、纳米技术、凝聚态物理和功能材料等领域的研究热点，吸引了诸多科技工作者。单层石墨烯具有大的比表面积，优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，可用于效应晶体管、电极材料、复合材料、液晶显示材料、传感器等。目前制备石墨烯的方法主要有石墨剥裂、化学氧化还原法、超声剥离法等。然而，目前通过氧化还原的方法大规模制备石墨烯的过程中，还原过后的石墨烯还含有较少量的-OH、-C-O-C-和-COOH等含氧官能团，这些官能团会降低石墨烯的电化稳定性与电化学稳定性。

目前，出现了采用化学气相沉积法制备石墨烯的相关研究，但是，现有化学气相沉积法一般需要采用金属或金属化合物做催化剂，但是将该催化剂放在衬底上时，会导致催化剂分布不均匀。为了解决该催化剂分布不均的问题，现有的一般利用化学气相沉积法、物理气相沉积法、真空热蒸镀法、磁控溅射法、等离子体增强化学气相沉积法和印刷法将催化剂沉积到衬底，来增加上述催化剂分布的均匀性，但是，这样就增强了操作的复杂性和不必要的设备，导致成本过高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种工艺简单、产率高、生产成本低，易于操作和控制的掺氮石墨烯的合成方法。

为了实现上述发明目的，本发明实施例的技术方案如下：

一种掺氮石墨烯的合成方法，包括如下步骤：

清洗、干燥衬底；

在所述衬底表面涂覆含有催化剂的浆料，所述催化剂为水溶性金属盐；

在无氧环境、真空条件下，将所述涂覆有催化剂的衬底升温至500～1300℃，再通入还原气体，还原所述催化剂，接着通入气态的有机碳源化合物和气态的氮源化合物进行反应，得到所述掺氮石墨烯。

上述掺氮石墨烯的合成方法采用水溶性金属盐作为催化剂，有效提高了催化剂在衬底表面的分布的均匀性，以及将气态的有机碳源化合物和气态的氮源化合物同步进料，一步合成，简化了掺氮石墨烯的生产工艺，降低了生产成本。同时，采用化学气相沉积法合成的掺氮石墨烯，使得掺氮石墨烯中氧元素含量低，电化学稳定性能高。

附图说明

图1是本发明实施例掺氮石墨烯的合成方法工艺流程示意图；

图2是本发明实施例1合成的掺氮石墨烯的电镜图；

图3是本发明实施例1合成的掺氮石墨烯的X射线电子能谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种工艺简单、产率高、生产成本，易于操作和控制的掺氮石墨烯的合成方法。该掺氮石墨烯的合成方法的工艺流程如图1所示，包括如下步骤：

S1：清洗、干燥衬底；

S2：在该衬底表面涂覆含有催化剂的浆料，该催化剂为水溶性金属盐；

S3：在无氧环境、真空条件下，将该涂覆有催化剂的衬底升温至500～1300℃，再通入还原气体，还原催化剂，接着通入气态的有机碳源化合物和气态的氮源化合物进行反应，得到掺氮石墨烯。

具体地，上述掺氮石墨烯的合成方法步骤S1中，衬底应该耐高温，即具有热稳定性，如步骤S3中500～1300℃的高温，其优选但不仅仅为铜箔、铁箔、镍箔中一种或几种任意组合。该优选材质的衬底耐高温，热稳定性能好。该衬底应该经前期的清洗，以除去粘附在衬底表面的杂物，达到清洁衬底的目的，以有利于下述步骤S2的进行。该衬底前期清洗的参见下述实施例1中的步骤S11中的清洗方法。

上述掺氮石墨烯的合成方法步骤S2中，由于催化剂为水溶性金属盐类，因此，将催化剂可以直接溶解，配制成浆料，直接优选采用刮涂法、旋涂法、浸泡法中的一种或几种任意组合的方式将其涂覆在该衬底的表面，从而达到简化合成掺氮石墨烯的生产工艺，降低了生产成本的目的。将该水溶性金属盐类的催化剂配制成浆料时，该浆料的摩尔浓度优选但不仅仅为0.01mol/L～1mol/L。该水溶性金属盐优选但不局限为金属的水溶性硝酸盐、氯盐等。其中，金属的水溶性硝酸盐可以但不局限为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍等中的至少一种；氯盐可以但不仅仅为氯化铁、氯化钴和/或氯化镍等。

该步骤S2中，该催化剂在衬底表面的粘附量与下述步骤S3中通入的气态有机碳源化合的摩尔比优选1∶20～1000。该催化剂优选的用量能提高下述步骤S3中掺氮石墨烯生产的反应效率，同时能最大限度的降低催化剂在掺氮石墨烯产物中的含量。

上述掺氮石墨烯的合成方法步骤S3中，该无氧条件是为了除去氧气，使得还原气体与催化剂能顺利进行。该无氧条件为惰性气体构成的无氧气氛，如，氮气气氛、氩气气氛等，优选无氧条件为氮气气氛；无氧条件也可以是抽真空的无氧条件，该真空的无氧条件不仅能有效的除去氧气，而且还能同时除去飘散在空气中的粉尘等杂质，从而保证掺氮石墨烯的纯度。另外，该真空的条件还能促进有机碳源化合物和氮源化合物的反应，从而提高掺氮石墨烯的产率。其中，该真空的无氧条件优选为真空度小于10^-3Pa真空无氧的条件。当然，在无氧条件可以是常压的无氧条件。

该步骤S3中，还原气体通入的流量优选为10～200sccm；还原催化剂的时间为1～60分钟。其中，该还原气体优选但不仅仅为氢气，当然还可以是CO气体等还原性气体。上述通入还原气体的优选流量和还原反应的时间能有效的保证催化剂即上述的水溶性金属盐充分还原。另外，还原气体优选的种类不会干扰掺氮石墨烯的生成。

该步骤S3中，通入的有机碳源化合物和氮源化合物的量优选为：有机碳源化合物中碳原子和氮源化合物中氮原子的摩尔比为2～10∶1，该有机碳源化合物和氮源化合物进行反应的时间优选为1～300分钟。其中，有机碳源化合物通入的流量优选为20～1000sccm，该有机碳源化合物优选为甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、丙烯中的至少一种；氮源化合物通入的流量优选为10～200sccm，该氮源化合物优选为氮气、氨气、甲胺中的至少一种。该有机碳源化合物和氮源化合物用量的优选比例以及流量，能使得生成的掺氮石墨烯中氮元素的含量在一个最佳的含量范围，从而进一步提高该掺氮石墨烯的电化学稳定性能，同时使得有机碳源化合物和氮源化合物充分反应，提高反应物的利用率，从而进一步的降低生产成本。该有机碳源化合物和氮源化合物进行反应的优选时间能保证两者充分反应，使得生成的掺氮石墨烯充分沉积。

该步骤S3中，衬底温度的提升和有机碳源化合物、氮源化合物反应温度的提供优选采用热丝化学气相沉积、射频等离子体增强化学气相沉积、微波等离子体增强化学气相沉积、激光化学气相沉积、低压化学气相沉积、常压化学气相沉积中的一种或两种以上的组合的方法提供热源。根据前述热源提供方式的不同，因此，本发明实施例化学气相沉积法也相应的优选为热丝化学气相沉积、射频等离子体增强化学气相沉积、微波等离子体增强化学气相沉积、激光化学气相沉积、低压化学气相沉积、常压化学气相沉积中的一种或两种以上的组合。如采用激光化学气相沉积法提供热源即采用激光化学气相沉积法合成掺氮石墨烯时，由于激光能量集中，能使得有机碳源化合物和氮源化合物反应效率进一步提高，从而提高掺氮石墨烯的生产效率。

该步骤S3中，待有机碳源化合物和氮源化合物反应结束后，停止通入还原气体、有机碳源化合物和氮源化合物，同时停止对衬底的加热，在保证无氧的条件下，使得反应体系冷却。

进一步地，作为本发明的优选一实施例，上述掺氮石墨烯的合成方法还包括将步骤S3中合成的掺氮石墨烯的纯化的步骤。该掺氮石墨烯纯化的步骤优选为：将冷却后的衬底放入稀酸溶液中浸泡0.1～24小时，去除催化剂金属粒子及其它杂质，再用去离子水洗净，然后烘干。其中，稀酸的种类可以但不仅仅为盐酸、硫酸、硝酸中的至少一种。该稀酸的浓度优选为大于0.01mol/L，小于1mol/L。

由上所述，上述掺氮石墨烯的合成方法采用水溶性金属盐作为催化剂，有效提高了催化剂在衬底表面的分布的均匀性，以及将有机碳源化合物和氮源化合物同步进料，一步合成，简化了掺氮石墨烯的生产工艺，降低了生产成本。同时，采用化学气相沉积法合成的掺氮石墨烯，使得掺氮石墨烯中氧元素含量低，电化学稳定性能高，其中，通过控制将有机碳源化合物和氮源化合的用量，使得合成的掺氮石墨烯中氮元素的含量在一个最佳的含量范围，从而进一步提高该掺氮石墨烯的电化学稳定性能。

现以具体的掺氮石墨烯的合成方法为例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1：

掺氮石墨烯的合成方法，包括如下步骤：

S11.将镍箔衬底用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘干，将浓度为1mol/L的硝酸铁旋涂于衬底表面；

S12.将涂覆有摩尔浓度为1mol/L的硝酸铁催化剂的衬底放到反应室，并密封反应室，采用机械泵，罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至10^-3Pa以下，并保持20分钟后，关闭分子泵，开始对该衬底加热；

S13.当衬底温度达到1000℃时，保持温度不变，通入氢气50sccm，保持40分钟，还原催化剂；

S14.通入甲烷和氨气，甲烷流量为1000sccm，氨气流量为200sccm，甲烷与氨气的通入量是乙烷中的C原子与氮气N原子的摩尔比为5∶1，反应1分钟，生成掺氮石墨烯；其中，通入的甲烷的总量与涂覆在衬底上的硝酸铁的摩尔比为600∶1。

S15.反应完成后，停止通入氢气、甲烷、氨气物质和对衬底加热，并冷却至室温，得到掺氮石墨烯；

S16.将表面沉积了石墨烯的衬底放入0.6mol/L稀盐酸浸泡8小时，去除铁金属颗粒及其它杂质，然后用去离子水洗净，烘干。

将本实施例1合成的掺氮石墨烯进行电镜(SEM)扫描分析，该掺氮石墨烯的电镜(SEM)扫描图片如图2所示。由图2可知，本实施例1合成的掺氮石墨烯为二维薄膜状，其大小为0.5μm～5μm。

将本实施例1合成的掺氮石墨烯进行X射线电子能谱(XPS)分析，其XPS结果如图3所示。根据图3的结果可知，本实施例1合成的掺氮石墨烯氮含量约为5.7％。

实施例2

掺氮石墨烯的合成方法，包括如下步骤：

S21.将铜箔衬底用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘干，将浓度为0.1mol/L的硝酸钴旋涂于衬底表面；

S22.将涂覆有浓度为0.1mol/L的硝酸钴催化剂的衬底放到反应室，并密封反应室，采用机械泵，罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至10^-3Pa以下，并保持10分钟后，关闭分子泵，开始对该衬底加热；

S23.当衬底温度达到1300℃时，保持温度不变，通入氢气10sccm，使得氢气与催化剂反应，并保持60分钟，还原催化剂；

S24.通入乙烷和氮气，乙烷流量为500sccm，氮气流量为50sccm，乙烷与氮气的通入量是乙烷中的C原子与氮气N原子的摩尔比为10∶1，反应100分钟，生成掺氮石墨烯；其中，通入的乙烷的总量与涂覆在衬底上的硝酸钴的摩尔比为20∶1。

S25.反应完成后，停止通入氢气、乙烷、氮气和对衬底加热，并冷却至室温，得到掺氮石墨烯；

S26.将表面沉积了石墨烯的衬底放入0.3mol/L稀硫酸16小时，去除钴金属颗粒及其它杂质，然后用去离子水洗净，烘干。

实施例3

掺氮石墨烯的合成方法，包括如下步骤：

S31.将铁箔衬底用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘干，将浓度为0.01mol/L的硝酸镍旋涂于衬底表面；

S32.将涂覆有摩尔浓度为0.01mol/L的硝酸镍催化剂的衬底放到反应室，并密封反应室，采用机械泵，罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至10^-3Pa以下，并保持1分钟后，关闭分子泵，开始对该衬底加热；

S33.当衬底温度达到500℃时，保持温度不变，通入氢气200sccm，保持20分钟，还原催化剂；

S34.通入乙炔和氨气，乙炔流量为100sccm，氨气流量为100sccm，乙炔与氨气的通入量是乙炔中的C原子与氨气N原子的摩尔比为2∶1，反应300分钟，生成掺氮石墨烯；其中，通入的乙炔的总量与涂覆在衬底上的硝酸镍的摩尔比为20∶1；

S35.反应完成后，停止通入氢气、甲烷、氨气物质和衬底加热，并冷却至室温，得到掺氮石墨烯；

S36.将表面沉积了石墨烯的衬底放入0.1mol/L稀盐酸浸泡24小时，去除镍金属颗粒及其它杂质，然后用去离子水洗净，烘干。

实施例4

掺氮石墨烯的合成方法，包括如下步骤：

S41.将铜箔和铁箔衬底分别用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘干，将摩尔浓度为0.5mol/L的氯化铁溶液旋涂于铜箔和铁箔衬底表面；

S42.将涂覆有氯化铁催化剂的衬底放到反应室，并密封反应室，采用机械泵，罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至10^-3Pa以下，并保持30分钟后，关闭分子泵，开始对该衬底加热；

S43.当衬底温度达到800℃时，保持温度不变，通入氢气100sccm，保持1分钟，还原催化剂；

S44.通入甲烷和甲胺，甲烷流量为20sccm，甲胺流量为10sccm，甲烷和甲胺的通入量是甲烷和甲胺中的C原子与甲胺N原子的摩尔比为2∶1，反应200分钟，生成掺氮石墨烯；其中，通入的甲烷的总量与涂覆在衬底上的氯化铁的摩尔比为1000∶1；

S45.反应完成后，停止通入氢气、甲烷、甲胺物质和衬底加热，并冷却至室温，得到掺氮石墨烯；

S46.将表面沉积了石墨烯的衬底放入0.8mol/L稀硝酸浸泡0.1小时，去除铁金属颗粒及其它杂质，然后用去离子水洗净，烘干。

实施例5

掺氮石墨烯的合成方法，包括如下步骤：

S51.将铜箔和铁箔衬底分别用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘干，将浓度为0.5mol/L的氯化铁溶液旋涂于铜箔和铁箔衬底表面；

S52.将涂覆有氯化铁催化剂的衬底放到反应室，并密封反应室，采用机械泵，罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至10^-3Pa以下，并保持30分钟后，关闭分子泵，开始对该衬底加热；

S53.当衬底温度达到800℃时，保持温度不变，通入氢气100sccm，保持1分钟，还原催化剂；

S54.通入体积比1∶1的甲烷与乙烯的混合气体和体积比1∶1的甲胺与氨气的混合气体，甲烷与乙烯的混合气体流量为500sccm，甲胺与氨气的混合气体流量为100sccm，甲烷与乙烯的混合气体和胺与氨气的的混合气体通入量是甲烷与乙烯的混合气体中的C原子与甲胺与氨气的混合气体中的N原子的摩尔比为8∶1，反应200分钟，生成掺氮石墨烯；其中，通入的甲烷与乙烯的混合气体的总量与涂覆在衬底上的氯化铁的摩尔比为700∶1；

S55.反应完成后，停止通入氢气、甲烷、甲胺物质和衬底加热，并冷却至室温，得到掺氮石墨烯；

S56.将表面沉积了石墨烯的衬底放入0.8mol/L稀硝酸浸泡0.1小时，去除铁金属颗粒及其它杂质，然后用去离子水洗净，烘干。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种掺氮石墨烯的合成方法，包括如下步骤：

清洗、干燥衬底；

在所述衬底表面涂覆含有催化剂的浆料，所述催化剂为水溶性金属盐，所述涂覆方式采用刮涂法、旋涂法、浸泡法中的至少一种；所述水溶性金属盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍或氯化铁；

在无氧环境、真空条件下，将所述涂覆有催化剂的衬底升温至500～1300℃，再通入还原气体，还原所述催化剂，接着通入气态的有机碳源化合物和气态的氮源化合物进行反应，得到所述掺氮石墨烯；

其中，所述有机碳源化合物中碳原子和氮源化合物中氮原子的摩尔比为2～10:1；

所述有机碳源化合物通入的流量为20～1000sccm；所述氮源化合物通入的流量为10～200sccm；

所述还原气体通入的流量为10～200sccm；还原催化剂的时间为1～60分钟；

所述还原气体为CO气体。

2.根据权利要求1所述的掺氮石墨烯的合成方法，其特征在于：所述催化剂与所述碳源化合物的摩尔比为1:20～1000。

3.根据权利要求1所述的掺氮石墨烯的合成方法，其特征在于：所述有机碳源化合物和氮源化合物进行反应的时间为1～300分钟。

4.根据权利要求1～3任一所述的掺氮石墨烯的合成方法，其特征在于：所述有机碳源化合物为甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、丙烯中的至少一种。

5.根据权利要求1～3任一所述的掺氮石墨烯的合成方法，其特征在于：所述氮源化合物为氮气、氨气、甲胺中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的掺氮石墨烯的合成方法，其特征在于：所述衬底为铜箔、铁箔、镍箔中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的掺氮石墨烯的合成方法，其特征在于：还包括将所述掺氮石墨烯放入浓度大于0.01mol/L，小于或等于1mol/L的稀酸溶液中进行纯化的步骤。