CN104944418B - 一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法，它涉及一种制备氮含量和种类可调控的掺杂石墨烯的方法。本发明的目的是要解决目前氮掺杂石墨烯制备工艺复杂，制备成本较高，难以工业化以及制备的氮掺杂石墨烯中氮元素含量和种类可控的问题，本发明方法为：将氮化碳放入一端密封的石英管中，在石英管开口端放置圆柱形石英堵头，将石英管转移至管式炉中，在惰性气氛保护下进行升温，保温，继续升温，并保温来调控氮掺杂石墨烯种氮元素含量和种类，即完成。本发明方法简单，环境友好，氮掺杂石墨烯种氮元素的含量和种类可控，可用于替代商业Pt/C作为氧还原催化剂，本发明应用于电池、光催化、催化氧化、气体传感器和药物输运领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯材料是一种具有二维蜂窝状结构的单原子层材料，其是构成富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元。自2004年英国曼彻斯特大学安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)制备出单层石墨烯以来(Science 2004,306,666-669)，受到了科学界和工业界的广泛关注。石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能。(Science.,2009,324,1530-1534；Nature.,2005，438，201-204.)
通过元素掺杂可以改变石墨烯的结构和性能，使其实现更丰富的化学功能和应用。例如在石墨烯中引入氮原子，氮原子的孤对电子可以和sp2杂化碳原子发生离域共轭作用，可以极大程度的提高石墨烯的反应性和电催化性能。掺杂的石墨烯与普通石墨烯表现出不同的结构和性质(Angew.Chem.,Int.Ed.2009,48,4386–4389；Science 2009,324,768-771)，在微电子、催化、复合材料、锂电池、超级电容器、储氢等方面有广阔的应用前景。目前为止，合成氮掺杂石墨烯的主要有两种方法：后掺杂法和原位掺杂法。后掺杂法是先制备出石墨烯或氧化石墨烯，利用含氮的化合物对其进行处理(如高温加热，水热等)，得到氮掺杂的石墨烯。如：化学气相沉积法、电弧放电法、热分解法等。原位掺杂法是在制备石墨烯的过程中进行掺杂，如化学气相沉积法，等离子体辅助气相沉积等。相对于后掺杂法，原位掺杂法所制备的氮掺杂石墨烯掺杂更均匀、氮原子掺杂状态更可控、氮原子含量相对可控，是一种较好的掺杂方法。如Pan等利用尿素和蔗糖通过加热的方法制备了氮掺杂的石墨烯(ACS Appl.Mater.Interfaces 2013,5,11108-11114)。氮化碳是一种含氮量非常高的层状半导体材料，在生物、光催化、电催化和光电等领域有广泛的应用。氮化碳因其高的含氮量，被作为氮源对石墨烯进行掺杂。最近，Li等人(Angew.Chem.Int.Ed.2012,51,9689-9692)利用氮化碳(g-C3N4，空间群：R3m，带隙为2.64eV)为模板，利用葡萄糖为碳源制备了氮掺杂石墨烯，但是这种方法需要借助外加碳源即：葡萄糖。由于葡萄糖里含有丰富的含氧官能团，因此蔗糖的加入会不可避免的引入氧，会进一步影响所制备氮掺杂石墨烯在微电子、催化等方面的性质。氮掺杂石墨烯中，氮元素的含量和种类对其在微电子、催化、复合材料等领域的应用有较大影响。不同掺杂方法制备的氮掺杂石墨烯中氮元素的含量和种类有较大差别。目前，尚未有有效的方法对氮掺杂石墨烯中氮元素的含量和种类进行调控。因此，急需一种简易可行的方法制备氮元素含量和种类可控的，高纯氮掺杂石墨烯，用于高性能、高稳定性电子器件、催化和能源等领域。
发明内容
本发明的目的是要解决目前氮掺杂石墨烯制备工艺复杂，制备成本较高，难以工业化以及制备的氮掺杂石墨烯中氮元素含量和种类可控的问题，提供一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法。
本发明一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法，按以下步骤进行：
一、将1～500g氮化碳置于一端密封的石英管中，其中所述的石英管的内径φ＝5～100mm，长＝20cm，开口端放置圆柱形石英堵头，石英堵头的外径φ＝4～99mm，长＝5cm，石英管内径和石英堵头外径相差为1mm；
二、将装有氮化碳的石英管置于管式炉中，然后将管式炉内真空抽至8×10-4～9×10-4Pa，然后向管式炉中通入流量为50～90sccm保护气体；
三、将步骤二处理后的管式炉以1～5℃/min的速率加热至740～750℃，然后保温5～120min，得到氮掺杂石墨烯；
四、将步骤三处理后的管式炉以5～20℃/min的速率加热至800～1000℃，然后保温30～120min，得到氮含量和种类可调的石墨烯，即完成。
本发明包括以下有益效果：
1、本发明所制备石墨烯具有大的比表面积，氮掺杂均匀；可以应用于催化、锂电池、微电子等领域。本发明所制备的氮掺杂石墨烯应用于催化氧还原反应时，其催化活性与商业铂碳相当，但是比商业铂碳催化剂有更好的催化稳定性。
2、本发明只使用一种含氮化合物，无其它任何化学试剂参与反应，是一种环境友好的制备高纯度氮掺杂石墨烯的方法。
3、本发明可以通过调整各步骤的加热时间和加热温度来调控最后所得产物的含氮量，可以通过本发明制备特定含氮量和含氮种类的氮掺杂石墨烯。
4、本发明利用氮化碳直接加热制备氮掺杂石墨烯，可以通过改变原料用量，实现克量级以上氮掺杂石墨烯的制备，适合大规模生产。
附图说明
图1为实施例一制备的氮掺杂石墨烯的扫描电镜图片；
图2为实施例一制备的氮掺杂石墨烯的透射电镜图片；
图3为实施例一制备的氮掺杂石墨烯的X射线衍射图；
图4为实施例一制备的氮掺杂石墨烯的XPS图谱；
图5为实施例一制备的氮掺杂石墨烯的N1s的XPS精细谱图；其中a为模拟谱图，b为石墨相氮，c为吡啶氮，d为原始谱图；
图6为试验1制备的氮掺杂石墨烯应用于氧还原反应催化剂的极化曲线；其中1为本发明所制备氮掺杂石墨烯的极化曲线；2为商业铂碳的极化曲线；
图7为试验1制备的氮掺杂石墨烯作为氧还原反应催化剂的稳定性曲线；其中1为本发明所制备氮掺杂石墨烯稳定性曲线，2为商业铂碳催化剂的稳定性曲线；
图8为实施例二至九步骤四通过不同加热温度所制备的氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的氮含量和种类分布图；其中为总氮含量，-■-为石墨相氮，-●-为吡啶氮。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法，按以下步骤进行：
一、将1～500g氮化碳置于一端密封的石英管中，其中所述的石英管的内径φ＝5～100mm，长＝20cm，开口端放置圆柱形石英堵头，石英堵头的外径φ＝4～99mm，长＝5cm，石英管内径和石英堵头外径相差为1mm；
二、将装有氮化碳的石英管置于管式炉中，然后将管式炉内真空抽至8×10-4～9×10-4Pa，然后向管式炉中通入流量为50～90sccm保护气体；
三、将步骤二处理后的管式炉以1～5℃/min的速率加热至740～750℃，然后保温5～120min，得到氮掺杂石墨烯；
四、将步骤三处理后的管式炉以5～20℃/min的速率加热至800～1000℃，然后保温30～120min，得到氮含量和种类可调的掺杂石墨烯，即完成。
本实施方式包括以下有益效果：
1、本实施方式所制备石墨烯具有大的比表面积，氮掺杂均匀；可以应用于催化、锂电池、微电子等领域。本实施方式所制备的氮掺杂石墨烯应用于催化氧还原反应时，其催化活性与商业铂碳相当，但是比商业铂碳催化剂有更好的催化稳定性。
2、本实施方式只使用一种含氮化合物，无其它任何化学试剂参与反应，是一种环境友好的制备高纯度氮掺杂石墨烯的方法。
3、本实施方式可以通过调整各步骤的加热时间和加热温度来调控最后所得产物的含氮量，可以通过本实施方式制备特定含氮量和含氮种类的氮掺杂石墨烯。
4、本实施方式利用氮化碳直接加热制备氮掺杂石墨烯，可以通过改变原料用量，实现克级以上氮掺杂石墨烯的制备，适合大规模生产。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二所述的保护气体为高纯氩气或高纯氮气。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三所述的将步骤二处理后的管式炉以2℃/min的速率加热至740℃。其它步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三所述的将步骤二处理后的管式炉以2℃/min的速率加热至750℃。其它步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤四所述的将步骤三处理后的管式炉以5℃/min的速率加热至950℃。其它步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：本实施例的一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法是按以下步骤实现：
一、将1g氮化碳置于一端密封的石英管中；其中所述的石英管的内径φ＝5mm，长＝20cm，开口端放置圆柱形石英堵头，石英堵头的外径φ＝4mm，长＝5cm；
二、将装有氮化碳的石英管置于管式炉中，用分子泵将管式炉内真空抽至8×10-4，关闭分子泵抽气阀，向管式炉中通入流量为50sccm的高纯氩气；
三、将步骤二处理后的管式炉以1℃/min的速率加热至750℃，然后保温5min，得到氮掺杂石墨烯；
四、将步骤三处理后的管式炉以5℃/min的速率加热至900℃，然后保温30min，得到氮含量和种类可调的掺杂石墨烯，即完成。
本实施例制备的氮掺杂石墨烯的扫描电镜图片和透射电镜图片如图1和图2所示，从图1可以看出，本实施例制备的氮掺杂石墨烯片层尺寸约500纳米；从图2可以看出，本实施例所制备的氮掺杂石墨烯为4-6层的少层石墨烯。
本实施例所制备的氮掺杂石墨烯的X射线衍射图如图3所示，从图3可以看出，本实施例所制备的产物为石墨烯。
本实施例制备的氮掺杂石墨烯的XPS谱图如图4所示，从图4可以看出，本实施例制备的氮掺杂石墨烯成分主要由碳和氮组成，氮含量约5.4％。
本实施例制备的氮掺杂石墨烯的N1s的XPS精细谱图如图5所示，从图5可以看出，本实施例制备的氮掺杂石墨烯中吡啶氮为1.62％，石墨相氮为3.78％。
对本实施例制备的氮掺杂石墨烯进行以下试验：
试验1：取5mg所得氮掺杂石墨烯，加入0.5ml水和0.5ml乙醇，80μL 5wt％Nafion(Alfa)溶液并超声处理60min制备催化剂浆料；以Ag/AgCl为参比电极，Pt丝为对电极，0.1M KOH为电解液对所的氮掺杂碳进行氧还原测试。取上述催化剂浆料5μL滴加到圆形玻碳电极表面，自然干燥后进行氧还原测试。按照同样的方法进行商业铂碳(E-TEK)的氧还原催化活性测试。
实施例一制备的氮掺杂石墨烯和商业铂碳在1600转时的极化曲线如图6所示；其中1为所实施例一制备氮掺杂石墨烯的极化曲线；2为商业铂碳的极化曲线。从图中可以看出，在相同测试条件下，实施例一所制备的氮掺杂石墨烯与商业铂碳的催化活性相当。
本试验所制备的氮掺杂石墨烯和商业铂碳作为氧还原催化剂的稳定性测试曲线如图7所示；其中1为本试验所制备氮掺杂石墨烯的极化曲线；2为商业铂碳的极化曲线。从图中可以看出，在相同的测试条件下，经过35000小时的氧还原测试，本试验所制备的氮掺杂石墨烯的极限电流保持率为92.8％；商业铂碳的极限电流保持率为32％。
试验1说明实施例一所制备的氮掺杂石墨烯催化活性与商业铂碳相当，但是长时间的催化稳定性优于商业铂碳。
试验2：取100mg所得氮掺杂石墨烯与200mg TiO2颗粒(P25)在40ml乙醇中超声30min，将混合溶液密封于水热釜内120℃反应10小时，将所得产物用去离子水洗涤干燥，得到氮掺杂石墨烯/TiO2复合材料；将所得氮掺杂石墨烯/TiO2复合材料与聚四氟乙烯和导电乙炔黑(TIMREXKS-15，TIMCAL，Switzerlan)按照质量比80:10:10混合均匀，涂抹在镍网的两面作为工作电极，60℃干燥6小时，压片并在120℃干燥24小时；以金属锂为对电极，微孔聚丙烯膜(Celgard 2300)为隔膜，1mol/L的LiPF6的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯(体积比1:1)溶液为电解液，组装锂离子电池；用同样的方法制备纯TiO2颗粒电池电极，并组装锂离子电池。
所得电池以0.1C放电时比容量为145mAh/g,是纯TiO2颗粒作为锂电池电极材料容量(81mAh/g)的1.8倍。
试验3：取100mg所得氮掺杂石墨烯与200mg SnO2颗粒在40ml乙醇中超声30min，将混合溶液密封于水热釜内120℃反应10小时，将所得产物用去离子水洗涤干燥，得到氮掺杂石墨烯/SnO2复合材料；将所得氮掺杂石墨烯/SnO2复合材料与聚四氟乙烯和导电乙炔黑(TIMREXKS-15，TIMCAL，Switzerlan)按照质量比85:5:10混合均匀，涂抹在镍网的两面作为工作电极，60℃干燥6小时，压片并在120℃干燥24小时；以金属锂为对电极，微孔聚丙烯膜(Celgard 2300)为隔膜，1mol/L的LiPF6的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯(体积比1:1)溶液为电解液，组装锂离子电池。
所得电池以0.1C放电时比容量为880mAh/g。
试验4：取50mg所得氮掺杂石墨烯与200mg FeCl3在40ml去离子水中超声30min，将混合溶液密封于水热釜内150℃反应10小时，将所得产物用去离子水洗涤干燥，得到氮掺杂石墨烯/Fe3O4复合材料；将所得氮掺杂石墨烯/Fe3O4复合材料与聚四氟乙烯和导电乙炔黑(TIMREXKS-15，TIMCAL，Switzerlan)按照质量比85:5:10混合均匀，涂抹在镍网的两面作为工作电极，60℃干燥6小时，压片并在120℃干燥24小时；以金属锂为对电极，微孔聚丙烯膜(Celgard 2300)为隔膜，1mol/L的LiPF6的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯(体积比1:1)溶液为电解液，组装锂离子电池。
所得电池以0.1C放电时比容量为630mAh/g。
试验2～试验4说明，实施例一所制备的氮掺杂石墨烯能有效提高锂离子电池的比容量。
试验5：取10mg氮掺杂石墨烯与200mg P25颗粒在40ml乙醇中超声30min，将混合溶液密封于水热釜内160℃反应10小时，将所得产物用去离子水洗涤干燥，得到氮掺杂石墨烯/P25复合材料；将100mg氮掺杂石墨烯/P25复合材料加入玛瑙研钵中，加入80ml乙醇适量无水松油醇和乙基纤维素并研磨1h，用旋转蒸发器将乙醇蒸干得到浆料，在ITO玻璃上用刮刀法制备吸收层，450℃退火1h，浸入0.5mM的N719染料20h后取出并与铂电极组装成电池。
所得太阳能电池的光电转换效率(η)为5.3％。
试验5说明实施例一所制备的氮掺杂石墨烯利于太阳能光电转换效率的提高。
实施例二：本实施例的一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法是按以下步骤实现：
一、将2g氮化碳置于一端密封的石英管中；其中所述的石英管的内径φ＝6mm，长＝20cm，开口端放置圆柱形石英堵头，石英堵头的外径φ＝5mm，长＝5cm；
二、将装有氮化碳的石英管置于管式炉中，用分子泵将管式炉内真空抽至8×10-4，关闭分子泵抽气阀，向管式炉中通入流量为50sccm的高纯氩气；
三、将步骤二处理后的管式炉以1℃/min的速率加热至740℃，然后保温5min，得到氮掺杂石墨烯；
四、将步骤三处理后的管式炉以5℃/min的速率加热至800℃，然后保温30min，得到氮含量和种类可调的掺杂石墨烯，即完成。
本实施例制备的氮掺杂石墨烯含氮量约为8.2％；其中吡啶氮为4％，石墨相氮为4.2％。
实施例三：本实施例的一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法是按以下步骤实现：
一、将10g氮化碳置于一端密封的石英管中；其中所述的石英管的内径φ＝10mm，长＝20cm，开口端放置圆柱形石英堵头，石英堵头的外径φ＝9mm，长＝5cm；
二、将装有氮化碳的石英管置于管式炉中，用分子泵将管式炉内真空抽至8×10-4，关闭分子泵抽气阀，向管式炉中通入流量为90sccm的高纯氮气；
三、将步骤二处理后的管式炉以2℃/min的速率加热至740℃，然后保温5min，得到氮掺杂石墨烯；
四、将步骤三处理后的管式炉以5℃/min的速率加热至800℃，然后保温30min，得到氮含量和种类可调的掺杂石墨烯，即完成。
本实施例制备的氮掺杂石墨烯含氮量约为8.9％；其中吡啶氮为4.6％，石墨相氮为4.3％。
实施例四：本实施例的一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法是按以下步骤实现：
一、将50g氮化碳置于一端密封的石英管中；其中所述的石英管的内径φ＝20mm，长＝20cm，开口端放置圆柱形石英堵头，石英堵头的外径φ＝19mm，长＝5cm；
二、将装有氮化碳的石英管置于管式炉中，用分子泵将管式炉内真空抽至8×10-4，关闭分子泵抽气阀，向管式炉中通入流量为50sccm的高纯氩气；
三、将步骤二处理后的管式炉以2℃/min的速率加热至750℃，然后保温5min，得到氮掺杂石墨烯；
四、将步骤三处理后的管式炉以5℃/min的速率加热至800℃，然后保温30min，得到氮含量和种类可调的掺杂石墨烯，即完成。
本实施例制备的氮掺杂石墨烯含氮量约为8.7％；其中吡啶氮为4.3％，石墨相氮为4.4％。
实施例五：本实施例的一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法是按以下步骤实现：
一、将2g氮化碳置于一端密封的石英管中；其中所述的石英管的内径φ＝5mm，长＝20cm，开口端放置圆柱形石英堵头，石英堵头的外径φ＝4mm，长＝5cm；
二、将装有氮化碳的石英管置于管式炉中，用分子泵将管式炉内真空抽至8×10-4，关闭分子泵抽气阀，向管式炉中通入流量为50sccm的高纯氩气；
三、将步骤二处理后的管式炉以2℃/min的速率加热至750℃，然后保温5min，得到氮掺杂石墨烯；
四、将步骤三处理后的管式炉以10℃/min的速率加热至900℃，然后保温30min，得到氮含量和种类可调的掺杂石墨烯，即完成。
本实施例制备的氮掺杂石墨烯含氮量约为6.1％；其中吡啶氮为3.6％，石墨相氮为2.5％。
实施例六：本实施例的一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法是按以下步骤实现：
一、将2g氮化碳置于一端密封的石英管中；其中所述的石英管的内径φ＝5mm，长＝20cm，开口端放置圆柱形石英堵头，石英堵头的外径φ＝4mm，长＝5cm；
二、将装有氮化碳的石英管置于管式炉中，用分子泵将管式炉内真空抽至8×10-4，关闭分子泵抽气阀，向管式炉中通入流量为50sccm的高纯氩气；
三、将步骤二处理后的管式炉以4℃/min的速率加热至750℃，然后保温5min，得到氮掺杂石墨烯；
四、将步骤三处理后的管式炉以5℃/min的速率加热至800℃，然后保温30min，得到氮含量和种类可调的掺杂石墨烯，即完成。
本实施例制备的氮掺杂石墨烯含氮量约为9.2％；其中吡啶氮为5.4％，石墨相氮为3.8％。
实施例七：本实施例的一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法是按以下步骤实现：
一、将2g氮化碳置于一端密封的石英管中；其中所述的石英管的内径φ＝5mm，长＝20cm，开口端放置圆柱形石英堵头，石英堵头的外径φ＝4mm，长＝5cm；
二、将装有氮化碳的石英管置于管式炉中，用分子泵将管式炉内真空抽至8×10-4，关闭分子泵抽气阀，向管式炉中通入流量为50sccm的高纯氩气；
三、将步骤二处理后的管式炉以2℃/min的速率加热至745℃，然后保温5min，得到氮掺杂石墨烯；
四、将步骤三处理后的管式炉以5℃/min的速率加热至900℃，然后保温30min，得到氮含量和种类可调的掺杂石墨烯，即完成。
本实施例制备的氮掺杂石墨烯含氮量约为6.5％；其中吡啶氮为2.5％，石墨相氮为4％。
实施例八：本实施例的一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法是按以下步骤实现：
一、将2g氮化碳置于一端密封的石英管中；其中所述的石英管的内径φ＝5mm，长＝20cm，开口端放置圆柱形石英堵头，石英堵头的外径φ＝4mm，长＝5cm；
二、将装有氮化碳的石英管置于管式炉中，用分子泵将管式炉内真空抽至8×10-4，关闭分子泵抽气阀，向管式炉中通入流量为90sccm的高纯氩气；
三、将步骤二处理后的管式炉以2℃/min的速率加热至750℃，然后保温5min，得到氮掺杂石墨烯；
四、将步骤三处理后的管式炉以5℃/min的速率加热至900℃，然后保温30min，得到氮含量和种类可调的掺杂石墨烯，即完成。
本实施例制备的氮掺杂石墨烯含氮量约为7.2％；其中吡啶氮为2.0％，石墨相氮为5.2％。
实施例九：本实施例的一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法是按以下步骤实现：
一、将2g氮化碳置于一端密封的石英管中；其中所述的石英管的内径φ＝5mm，长＝20cm，开口端放置圆柱形石英堵头，石英堵头的外径φ＝4mm，长＝5cm；
二、将装有氮化碳的石英管置于管式炉中，用分子泵将管式炉内真空抽至8×10-4，关闭分子泵抽气阀，向管式炉中通入流量为50sccm的高纯氩气；
三、将步骤二处理后的管式炉以2℃/min的速率加热至750℃，然后保温5min，得到氮掺杂石墨烯；
四、将步骤三处理后的管式炉以5℃/min的速率加热至1000℃，然后保温30min，得到氮含量和种类可调的掺杂石墨烯，即完成。
本实施例制备的氮掺杂石墨烯含氮量约为0.6％；其中吡啶氮为0.1％，石墨相氮为0.5％。
对实施例二至九得到的氮含量和种类可调的掺杂石墨烯进行XPS测试，对得到的数据进行统计，得到实施例二至九通过步骤四不同加热温度所得氮掺杂石墨烯样品的氮含量和种类分布图。由图8可知，本发明可以通过调整各步骤的加热时间和加热温度来调控最后所得产物的含氮量和种类，可以通过本发明制备特定含氮量和含氮种类的氮掺杂石墨烯。
Claims (5)
1.一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、将1～500g氮化碳置于一端密封的石英管中，其中所述的石英管的内径φ＝5～100mm，长＝20cm，开口端放置圆柱形石英堵头，石英堵头的外径φ＝4～99mm，长＝5cm，石英管内径和石英堵头外径相差为1mm；
二、将装有氮化碳的石英管置于管式炉中，然后将管式炉内真空度抽至8×10-4～9×10-4Pa，然后向管式炉中通入流量为50～90sccm保护气体；
三、将步骤二处理后的管式炉以1～5℃/min的速率加热至740～750℃，然后保温5～120min，得到氮掺杂石墨烯；
四、将步骤三处理后的管式炉以5～20℃/min的速率加热至800～1000℃，然后保温30～120min，得到氮含量和种类可调的掺杂石墨烯，即完成。
2.根据权利要求1所述的一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法，其特征在于步骤二所述的保护气体为高纯氩气或高纯氮气。
3.根据权利要求1所述的一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法，其特征在于步骤三所述的将步骤二处理后的管式炉以2℃/min的速率加热至740℃。
4.根据权利要求1所述的一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法，其特征在于步骤三所述的将步骤二处理后的管式炉以2℃/min的速率加热至750℃。
5.根据权利要求1所述的一种一步原位制备氮含量和种类可调的掺杂石墨烯的方法，其特征在于步骤四所述的将步骤三处理后的管式炉以5℃/min的速率加热至950℃。
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