CN107265442A - 一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料及其制备方法 - Google Patents

一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料及其制备方法 Download PDF

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刘兆平
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Abstract

本发明提供了一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的制备方法，包括以下步骤：A)将氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂混合后密封进行加热反应，得到水凝胶；B)将所述水凝胶置于去离子水中，置换步骤A)中未参与反应的甲酰胺，得到水置换后的水凝胶；C)将水置换后的水凝胶速冻后冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。

Description

一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料及其制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯技术领域，具体涉及一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料及其制备方法。
背景技术
由石墨烯纳米片层组装得到的三维宏观材料因其高比表面积、稳定多孔结构及易于功能化改性等特性，在储能、环保、催化等领域具有广阔的应用前景。石墨烯三维宏观材料的制备方法与内部结构调控对其性能和应用至关重要。
由石墨烯纳米片层基于“自下而上”方法制备得到的三维宏观材料，其内部石墨烯片层仍然存在严重的面对面π-π堆叠，使其比表面积远低于理论值，另一方面宏观体内部的三维网络通道受阻以限制内部传质过程。为此基于石墨烯纳米卷组装三维宏观材料是一种新的材料构建思路，石墨烯纳米卷是由二维石墨烯纳米片层沿轴向螺旋卷曲得到的具有开放拓扑结构的一维管状体，区别于碳纳米管无缝连接的管壁结构。石墨烯纳米卷开放的边缘与两端则很好地避免了石墨烯片层的π-π堆叠，同时又可保障物质在宏观体内的无障碍传输。然而现有技术中均是关于石墨烯纳米卷粉体材料的制备，并无技术将石墨烯纳米卷组装成三维宏观材料。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料及其制备方法，本发明提供的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料具有较大的比表面积，并且可以保障物质在宏观材料内的无障碍传输。
本发明提供了一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)将氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂混合后密封进行加热反应，得到水凝胶；
B)将所述水凝胶置于去离子水中，置换步骤A)中未参与反应的酰胺类溶剂，得到水置换后的水凝胶；
C)将所述水置换后的水凝胶速冻后冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
优选的，所述酰胺类溶剂为甲酰胺、乙酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺。
优选的，所述氧化石墨烯溶液的浓度为2.5～10g/L。
优选的，所述氧化石墨烯溶液与甲酰胺的体积比为5：(0.8～1.2)，优选为5:1。
优选的，所述加热反应的温度为80～100℃，所述加热反应的时间为10～18小时。
优选的，所述速冻为液氮速冻。
本发明还提供了一种由上述制备方法制备得到的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
优选的，比表面积为80～150m2/g。
与现有技术相比，本发明提供了一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的制备方法，包括以下步骤：A)将氧化石墨烯溶液与甲酰胺混合后密封进行加热反应，得到水凝胶；B)将所述水凝胶置于去离子水中，置换步骤A)中未参与反应的甲酰胺，得到水置换后的水凝胶；C)将水置换后的水凝胶速冻后冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。本发明通过一步法实现石墨烯片层纳米成卷与三维组装两个过程，利用极性分子—酰胺类溶剂作为驱动试剂来实现这一双重目标。在这过程中，酰胺类溶剂一方面起到交联剂促进三维组装的作用，上面的-C＝O和-NH2分别可与GO片层形成氢键，使相邻的GO片层连接；另一方面，酰胺类溶剂中的酰胺基属于缺电子基团，弱的还原剂，使GO片层一定程度的弱还原，这是后续三维宏观体内GO片层在冷冻干燥情况下能够形成卷的必要条件；此外，酰胺类溶剂的复合使得最终得到的石墨烯纳米卷三维宏观材料上有一定程度的N掺杂。同时氧化石墨烯浓度也十分关键，浓度过低无法形成三维宏观网络结构，浓度过高氧化石墨烯片层之间作用过强，无法得到纳米卷结构，内部将出现严重的片层堆叠现象。因此，本发明提供的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料具有较大的比表面积，并且可以保障物质在宏观材料内的无障碍传输。
结果表明，本发明提供的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的比表面积为80～150m2/g。
附图说明
图1为不同氧化石墨烯浓度对凝胶成型的影响；
图2为氧化石墨烯(5g/L)在不同交联剂下的凝胶情况；
图3为N掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料内部纳米卷结构的SEM图；
图4为甲酰胺添加量对宏观体内形成纳米卷的影响；
图5为对比例5制备的氮掺杂石墨烯三维宏观材料的SEM图；
图6为XPS中N元素的分峰拟合；
图7为N掺杂石墨烯纳米卷(N-GNSs-F)和纯氧化石墨烯(GO-F)三维宏观体的氮气吸附-脱附曲线；
图8为N掺杂石墨烯纳米卷(N-GNSs-F)和纯氧化石墨烯(GO-F)三维宏观体对亚甲基蓝(a,c)和罗丹明B(b,d)的吸附去除效果。
具体实施方式
本发明提供了一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的制备方法，包括以下步骤：
A)将氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂混合后密封进行加热反应，得到水凝胶；
B)将所述水凝胶置于去离子水中，置换步骤A)中未参与反应的甲酰胺，得到水置换后的水凝胶；
C)将水置换后的水凝胶速冻后冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
本发明以氧化石墨烯溶液以及酰胺类溶剂为原料进行氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的制备，其中，本发明以酰胺类溶剂作为驱动试剂实现石墨烯片层纳米成卷与三维组装的双重目标。在此过程中，酰胺类溶剂一方面起到交联剂促进三维组装的作用，上面的-C＝O和-NH2分别可与GO片层形成氢键，使相邻的GO片层连接；另一方面，酰胺类溶剂中的酰胺基属于缺电子基团，弱的还原剂，使GO片层一定程度的弱还原，这是后续三维宏观体内GO片层在冷冻干燥情况下能够形成卷的必要条件；此外，酰胺类溶剂的复合使得最终得到的石墨烯纳米卷三维宏观材料上有一定程度的N掺杂。
在本发明中，所述酰胺类溶剂优选为甲酰胺、乙酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺，更优选为甲酰胺。
所述氧化石墨烯溶液的浓度为2.5～10g/L，优选为5.0g/L。
所述氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂的体积比为5：(0.8～1.2)，优选为5:1。
将氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂充分混合后密封进行加热反应，得到水凝胶。其中，所述加热反应的温度为80～100℃，所述加热反应的时间为10～18小时。
得到水凝胶后，将所述水凝胶置于去离子水中，置换步骤A)中未参与反应的酰胺类溶剂，得到水置换后的水凝胶。在本发明中，所述去离子水为过量的，以保证水凝胶中未参与反应的酰胺类溶剂置换完全。
如果在上述配比下，没有经过与去离子水置换这一步骤，多余的酰胺类溶剂以溶剂相存在水凝胶内部，而其相转变条件与水不同，使得后续的冷冻干燥后的样品体积收缩，内部呈GO片层堆垛状态。
接着，将所述水置换后的水凝胶速冻后冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
在本发明中，所述速冻优选为液氮速冻，速冻是使石墨烯片层成卷的一个关键因素。如果冷冻速度过慢，则会出现严重的氧化石墨烯片层堆叠的现象，无法成卷。
本发明还提供了一种采用上述制备方法制备得到的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料，所述氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的表面积为80～150m2/g。
本发明通过一步法实现石墨烯片层纳米成卷与三维组装两个过程，利用极性分子—甲酰胺作为驱动试剂来实现这一双重目标。在这过程中，酰胺类溶剂一方面起到交联剂促进三维组装的作用，上面的-C＝O和-NH2分别可与GO片层形成氢键，使相邻的GO片层连接；另一方面，酰胺类溶剂中的酰胺基属于缺电子基团，弱的还原剂，使GO片层一定程度的弱还原，这是后续三维宏观体内GO片层在冷冻干燥情况下能够形成卷的必要条件；此外，酰胺类溶剂的复合使得最终得到的石墨烯纳米卷三维宏观材料上有一定程度的N掺杂。同时氧化石墨烯浓度也十分关键，浓度过低无法形成三维宏观网络结构，浓度过高氧化石墨烯片层之间作用过强，无法得到纳米卷结构，内部将出现严重的片层堆叠现象。因此，本发明提供的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料具有较大的比表面积，并且可以保障物质在宏观材料内的无障碍传输。
结果表明，本发明提供的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的比表面积为80～150m2/g。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料及其制备方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
1、将5g/L GO溶液按照体积比5:1与甲酰胺混合并密封混匀，然后于90℃加热12h，形成水凝胶。
其凝胶成型照片见图1，图1为不同氧化石墨烯浓度对凝胶成型的影响，图1中0.5代表氧化石墨烯浓度为0.5g/L的凝胶成型照片(对比例1)，1代表氧化石墨烯浓度为1.0g/L的凝胶成型照片，2.5代表氧化石墨烯浓度为2.5g/L的凝胶成型照片(实施例2)，5代表氧化石墨烯浓度为5g/L的凝胶成型照片(实施例1)。
由图1可知，前驱体氧化石墨烯的浓度至关重要，2.5g/L为相应的凝胶阈值，要达到该阈值才可构筑成三维宏观体，若低于该阈值(如0.5g/L和1g/L)，甲酰胺也无法辅助其交联成稳定的凝胶。
图2为氧化石墨烯(5g/L)在不同交联剂下的凝胶情况，图2中，第一张照片为不加交联剂仅是氧化石墨烯溶液的凝胶情况(对比例2)，第二张照片为实施例1制备的水凝胶，第三张照片为N,N-二甲基甲酰胺作为交联剂的凝胶情况(对比例3)。
由图2可知，N,N-二甲基甲酰胺无法像甲酰胺一样辅助氧化石墨烯在90℃加热下形成稳定的水凝胶，说明甲酰胺在石墨烯纳米卷三维构筑中有其特定的交联作用。
2、将得到的水凝胶浸没在大体积去离子水中置换48h，目的在于置换出步骤3中未参与反应的甲酰胺溶剂。
对上述制备得到的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料进行扫面电镜分析，结果见图3和图4，图3为实施例1制备的N掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料内部纳米卷结构的SEM图。图4为甲酰胺添加量对宏观体内形成纳米卷的影响。图4中，(a)为由纯氧化石墨烯制备得到的宏观体的SEM图(对比例2)，(b)氧化石墨烯与甲酰胺以体积比25:1制备得到的宏观体的SEM图(对比例4)，(c)为实施例1制备的N掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料内部纳米卷结构的SEM图。
由图4可知，甲酰胺添加量对形成纳米卷的影响也十分显著，如图4所示，纯氧化石墨烯和添加少量甲酰胺(体积比25：1)均无法使得冷干后的样品内部氧化石墨烯片层卷曲，只有到达一定量(如5:1)才可得到内部呈纳米卷的三维宏观体。
3、水置换后的水凝胶用液氮冷冻，并通过冷冻干燥得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
其中冷冻速率对最终宏观体内能否形成纳米卷也十分关键，采用冰箱的低速冷冻，则无法得到纳米卷结构(对比例5)。
对上述制备得到的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料进行透射电镜分析，结果见图3，图3为N掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料内部纳米卷结构的SEM图。
图6为N掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料XPS测试中N元素的分峰拟合，图6中，(a)为N掺杂石墨烯纳米卷三维宏观体；(b)为N掺杂石墨烯纳米卷三维宏观体经500℃退火处理(图6)，由图6可知，N元素在纳米卷上以表面掺杂(甲酰胺N，吸附交联)和基体掺杂(吡咯N和吡啶N，晶格掺杂)两种形式存在；后者在高温退火处理后仍可保留，如图6b。
通过比表面积测定，结果见图7，图7为N掺杂石墨烯纳米卷(N-GNSs-F)和纯氧化石墨烯(GO-F)三维宏观体的氮气吸附-脱附曲线。由图7可知由石墨烯纳米卷组装得到的宏观体比表面积(92.1m2/g，N-GNSs-F)是石墨烯片层组装宏观体(59.8m2/g，GO-F)的将近两倍；石墨烯纳米卷显著避免了片层面对面的π-π堆叠，从而提高宏观材料的比表面积。
测定N掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料对水体有机污染物的去除性能，具体为：将2mg吸附剂添加至20mL的染料水溶液中(染料浓度为100mg/L)，密封后于25℃和120rpm下振荡24h，用紫外-可见分光光度计测定吸附前后染料溶液的浓度，结果见图8，图8为N掺杂石墨烯纳米卷(N-GNSs-F)和纯氧化石墨烯(GO-F)三维宏观体对亚甲基蓝(a,c)和罗丹明B(b,d)的吸附去除效果。
如图8所示，由N掺杂石墨烯纳米卷组装得到的三维宏观体对水体中染料污染物的吸附去除率(亚甲基蓝96.8％，罗丹明B 94.6％)要明显优于纯氧化石墨烯片层构筑的三维宏观体(亚甲基蓝89.7％，罗丹明B 79.5％)。
对比例1
1、将0.5g/L GO溶液以体积比5:1与甲酰胺充分混匀。
2、于90℃加热12h，无法形成凝胶。其凝胶成型照片见图1，图1为不同氧化石墨烯浓度对凝胶成型的影响。
对比例2
1、纯的5.0mg/mL GO溶液在没有添加交联剂的情况下，密封后于90℃加热12h，无法形成凝胶。其凝胶成型照片见图2，图2为氧化石墨烯(5g/L)在不同交联剂下的凝胶情况。
对比例3
1、将5.0g/L GO溶液以体积比5:1与N,N-二甲基甲酰胺充分混匀。
2、于90℃加热12h，无法形成水凝胶。其凝胶成型照片见图1，图1为不同氧化石墨烯浓度对凝胶成型的影响。
对比例4
1、将5.0g/L GO溶液以体积比25:1与甲酰胺充分混匀。
2、于90℃加热12h，形成水凝胶。
3、将得到的水凝胶浸没在大体积去离子水中置换48h，目的在于置换出步骤2中未参与反应的甲酰胺溶剂。
4、水置换后的水凝胶用液氮冷冻，并通过冷冻干燥得到石墨烯三维宏观材料。对其进行电镜扫描，结果见图4，图4为甲酰胺添加量对宏观体内形成纳米卷的影响。
对比例5
1、将5.0g/L GO溶液以体积比5:1与甲酰胺充分混匀。
2、于90℃加热12h，形成水凝胶。其凝胶成型照片见图1，图1为不同氧化石墨烯浓度对凝胶成型的影响。
3、将得到的水凝胶浸没在大体积去离子水中置换48h，目的在于置换出步骤2中未参与反应的甲酰胺溶剂。
4、水置换后的水凝胶置于-20℃的冰箱内冷冻，并通过冷冻干燥得到氮掺杂石墨烯三维宏观材料。
对其进行电镜扫描分析，结果见图5，图5为对比例5制备的氮掺杂石墨烯三维宏观材料的SEM图。由图5可知，冷冻速率对最终宏观体内石墨烯片层能否成卷也是一个关键因素，慢速冷冻，如用冰箱-20℃下冷冻，经冷冻干燥后得到三维块体内部如图5所示，是由严重的氧化石墨烯片层堆叠构成，与图1经液氮快速冷冻得到的样品截然不同；也就是说快速冷冻是促使宏观体内形成纳米卷的必要条件。
实施例2
1、将2.5g/L GO溶液以体积比5:1与甲酰胺充分混匀。
2、于90℃加热12h，形成水凝胶。其凝胶成型照片见图1，图1为不同氧化石墨烯浓度对凝胶成型的影响。
3、将得到的水凝胶浸没在大体积去离子水中置换48h，目的在于置换出步骤2中未参与反应的甲酰胺溶剂。
4、水置换后的水凝胶用液氮冷冻，并通过冷冻干燥得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
对其进行比表面积测定，比表面积为75.3m2/g。
按照实施例1提供的方法进行水体有机污染物的去除性能测定，结果为：对水体中染料污染物的吸附去除率(亚甲基蓝90.2％，罗丹明B 89.6％)。
实施例3
1、将10g/L GO溶液以体积比5:1与甲酰胺充分混匀。
2、于90℃加热12h，形成水凝胶。
3、将得到的水凝胶浸没在大体积去离子水中置换48h，目的在于置换出步骤2中未参与反应的甲酰胺溶剂。
4、水置换后的水凝胶用液氮冷冻，并通过冷冻干燥得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
对其进行比表面积测定，比表面积为81.5m2/g。
按照实施例1提供的方法进行水体有机污染物的去除性能测定，结果为：对水体中染料污染物的吸附去除率(亚甲基蓝92.1％，罗丹明B 91.5％)。
实施例4
1、将5g/L GO溶液以体积比5:0.8与甲酰胺充分混匀。
2、于90℃加热12h，形成水凝胶。
3、将得到的水凝胶浸没在大体积去离子水中置换48h，目的在于置换出步骤2中未参与反应的甲酰胺溶剂。
4、水置换后的水凝胶用液氮冷冻，并通过冷冻干燥得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
对其进行比表面积测定，比表面积为88.3m2/g。
按照实施例1提供的方法进行水体有机污染物的去除性能测定，结果为：对水体中染料污染物的吸附去除率(亚甲基蓝95.2％，罗丹明B 92.8％)。
实施例5
1、将5g/L GO溶液以体积比5:1.2与甲酰胺充分混匀。
2、于90℃加热12h，形成水凝胶。
3、将得到的水凝胶浸没在大体积去离子水中置换48h，目的在于置换出步骤2中未参与反应的甲酰胺溶剂。
4、水置换后的水凝胶用液氮冷冻，并通过冷冻干燥得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
对其进行比表面积测定，比表面积为86.0m2/g。
按照实施例1提供的方法进行水体有机污染物的去除性能测定，结果为：对水体中染料污染物的吸附去除率(亚甲基蓝93.6％，罗丹明B 92.3％)。
实施例6
1、将2.5g/L GO溶液以体积比5:1与乙酰胺充分混匀。
2、于90℃加热12h，形成水凝胶。
3、将得到的水凝胶浸没在大体积去离子水中置换48h，目的在于置换出步骤2中未参与反应的甲酰胺溶剂。
4、水置换后的水凝胶用液氮冷冻，并通过冷冻干燥得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
对其进行比表面积测定，比表面积为75.3m2/g。
按照实施例1提供的方法进行水体有机污染物的去除性能测定，结果为：对水体中染料污染物的吸附去除率(亚甲基蓝90.2％，罗丹明B 89.6％)。
实施例7
1、将2.5g/L GO溶液以体积比5:1与丙烯酰胺充分混匀。
2、于90℃加热12h，形成水凝胶。
3、将得到的水凝胶浸没在大体积去离子水中置换48h，目的在于置换出步骤2中未参与反应的甲酰胺溶剂。
4、水置换后的水凝胶用液氮冷冻，并通过冷冻干燥得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
对其进行比表面积测定，比表面积为75.3m2/g。
按照实施例1提供的方法进行水体有机污染物的去除性能测定，结果为：对水体中染料污染物的吸附去除率(亚甲基蓝90.2％，罗丹明B 89.6％)。
实施例8
1、将2.5g/L GO溶液以体积比5:1与甲基丙烯酰胺充分混匀。
2、于90℃加热12h，形成水凝胶。
3、将得到的水凝胶浸没在大体积去离子水中置换48h，目的在于置换出步骤2中未参与反应的甲酰胺溶剂。
4、水置换后的水凝胶用液氮冷冻，并通过冷冻干燥得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
对其进行比表面积测定，比表面积为75.3m2/g。
按照实施例1提供的方法进行水体有机污染物的去除性能测定，结果为：对水体中染料污染物的吸附去除率(亚甲基蓝90.2％，罗丹明B 89.6％)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)将氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂混合后密封进行加热反应，得到水凝胶；
B)将所述水凝胶置于去离子水中，置换步骤A)中未参与反应的酰胺类溶剂，得到水置换后的水凝胶；
C)将所述水置换后的水凝胶速冻后冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述酰胺类溶剂选自甲酰胺、乙酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯溶液的浓度为2.5～10g/L。优选的浓度为为5g/L。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯溶液与酰胺类溶剂的体积比为5：(0.8～1.2)。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加热反应的温度为80～100℃，所述加热反应的时间为10～18小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述速冻为液氮速冻。
7.一种由权利要求1～6任意一项所述的制备方法制备得到的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料。
8.根据权利要求7所述的氮掺杂石墨烯纳米卷三维宏观材料，其特征在于，比表面积为80～150m2/g。
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