CN107746048B - 一种掺氮石墨烯基多孔碳材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺氮石墨烯基多孔碳材料及其制备方法与应用，该掺氮石墨烯基多孔碳材料的制备方法如下：1)将氧化石墨、可溶性糖或/和其衍生物、水混合，超声剥离分散，再加入N,N′‑二环己基碳二亚胺制成混合溶液，充分反应；2)将步骤1)的反应液转入水热反应釜，进行水热碳化反应，离心，用水洗涤固体产物，干燥。本发明的掺氮石墨烯基多孔碳材料由氧化石墨、可溶性糖或/和其衍生物、N,N′‑二环己基碳二亚胺制备而成，其组成成分主要为碳材料，成本低廉，具有质量轻、绿色环保等优点。同时，其制备方法简便易行，条件温和，原料易得，制备可重复性好，作为催化剂催化还原硝基苯时活性很高，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种掺氮石墨烯基多孔碳材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着工业化的快速发展，日益增长的能源需求和环境危机使广大研究者致力于开发价格低廉、绿色环保的材料。生物质是制备功能碳材料的一种可再生资源，典型的如糖类作为自然界中广泛分布的一种有机化合物，通过水热法可以简单地转换为碳材料，是制备碳材料的理想来源。高效、使用寿命长的碳催化剂/载体具有极高的应用价值，因而高效碳催化剂/载体的合成开发一直是催化领域的重要课题。生物质来源的糖类经由直接碳化、水热处理等方式制备得到的碳催化剂目前存在的主要问题是催化效能和稳定性较差。
随着碳材料研究领域的深入，富勒烯、碳纳米管、石墨烯等碳材料已经被用来制备碳催化剂或者作为金属催化剂的载体。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状二维碳材料，具有极高的比表面积(理论上可达2630m2/g)，在催化反应中具有很大的优势。氧化石墨烯表面和边缘具有丰富的含氧官能团，易于通过掺杂等手段实现了功能化，在催化领域颇具发展潜力。然而，石墨烯和氧化石墨烯如何实现可控功能化以及易团聚等问题亟待解决，这些问题直接导致催化剂的催化活性降低，再加上石墨烯等材料的价格昂贵，所以石墨烯基碳催化剂到目前为止未能大面积推广使用。
发明内容
本发明的目的在于通过控制氧化石墨烯的形态结构以及糖类在氧化石墨烯上的碳化过程，提供一种掺氮石墨烯基多孔碳材料及其制备方法，并将其作为催化剂用于催化硝基苯还原。
本发明所采取的技术方案是：
一种掺氮石墨烯基多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将氧化石墨、可溶性糖或/和其衍生物、水混合，超声剥离分散，再加入N,N′-二环己基碳二亚胺制成混合溶液，充分反应；
2)将步骤1)的反应液转入水热反应釜，进行水热碳化反应，离心，用水洗涤固体产物，干燥，得到掺氮石墨烯基多孔碳材料。
步骤1)所述的氧化石墨通过以下方法制备得到：将浓硫酸、磷酸和石墨粉混合，加入高锰酸钾，45～55℃反应10～15h，加入冰块和H2O2，混合均匀后离心，分别用水、盐酸和无水乙醇洗涤得到的沉淀，干燥。
步骤1)所述的混合溶液中氧化石墨的浓度为1～10mg/mL。
步骤1)所述的混合溶液中可溶性糖或/和其衍生物的浓度为5～100mg/mL。
步骤1)所述的可溶性糖为葡萄糖、甘露糖、***糖、木糖、来苏糖、半乳糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、乳糖中的至少一种，可溶性糖的衍生物为可溶性糖对应的糖醇、糖酸或脱氧糖。
步骤1)所述的混合溶液中N,N′-二环己基碳二亚胺的浓度为4～40mg/mL。
步骤1)所述的反应在75～95℃下进行，反应时间为1～5h。
步骤2)所述的水热碳化反应在160～240℃下进行，反应时间为6～24h。
本发明的有益效果是：本发明的掺氮石墨烯基多孔碳材料由氧化石墨、可溶性糖或/和其衍生物、N,N′-二环己基碳二亚胺制备而成，其组成成分主要为碳材料，成本低廉，具有质量轻、绿色环保等优点。同时，其制备方法简便易行，条件温和，原料易得，制备可重复性好，作为催化剂催化还原硝基苯时活性很高，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1的掺氮石墨烯基多孔碳材料的扫描电镜图(SEM)。
具体实施方式
一种掺氮石墨烯基多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将氧化石墨、可溶性糖或/和其衍生物、水混合，超声剥离分散，再加入N,N′-二环己基碳二亚胺制成混合溶液，充分反应；
2)将步骤1)的反应液转入水热反应釜，进行水热碳化反应，离心，用水洗涤固体产物，干燥，得到掺氮石墨烯基多孔碳材料。
优选的，步骤1)所述的氧化石墨通过以下方法制备得到：将浓硫酸、磷酸和石墨粉混合，加入高锰酸钾，45～55℃反应10～15h，加入冰块和H2O2，混合均匀后离心，分别用水、盐酸和无水乙醇洗涤得到的沉淀，干燥。
优选的，所述的浓硫酸、磷酸、石墨粉、高锰酸钾、冰块、H2O2的添加量比为180mL：(17～23)mL：(1.3～1.7)g：(7～11)g：(180～220)mL：(3～7)mL。
优选的，步骤1)所述的混合溶液中氧化石墨的浓度为1～10mg/mL。
进一步优选的，步骤1)所述的混合溶液中氧化石墨的浓度为2～9mg/mL。
优选的，步骤1)所述的混合溶液中可溶性糖或/和其衍生物的浓度为5～100mg/mL。
进一步优选的，步骤1)所述的混合溶液中可溶性糖或/和其衍生物的浓度为8～26mg/mL。
优选的，步骤1)所述的可溶性糖为葡萄糖、甘露糖、***糖、木糖、来苏糖、半乳糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、乳糖中的至少一种，可溶性糖的衍生物为可溶性糖对应的糖醇、糖酸或脱氧糖。
优选的，步骤1)进行超声剥离分散时超声功率为100W，时间为0.5～2h。
优选的，步骤1)所述的混合溶液中N,N′-二环己基碳二亚胺的浓度为4～40mg/mL。
进一步优选的，步骤1)所述的混合溶液中N,N′-二环己基碳二亚胺的浓度为4～18mg/mL。
优选的，步骤1)所述的反应在75～95℃下进行，反应时间为1～5h。
优选的，步骤2)所述的水热碳化反应在160～240℃下进行，反应时间为6～24h。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种掺氮石墨烯基多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.40g氧化石墨、0.90g葡萄糖和70mL去离子水混合，超声(100W)剥离分散0.5h，再加入0.62g N,N′-二环己基碳二亚胺，得到混合溶液(其中，氧化石墨的浓度为5.71mg/mL，葡萄糖的浓度为12.9mg/mL，N,N′-二环己基碳二亚胺的浓度为8.85mg/mL)，90℃回流反应4h；
2)将步骤1)的反应液转入水热反应釜，190℃反应15h，离心，用水洗涤固体产物5次，60℃真空干燥，得到掺氮石墨烯基多孔碳材料(黑色粉末)，其扫描电镜图(SEM)如图1所示。
实施例2：
一种掺氮石墨烯基多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.40g氧化石墨、1.80g蔗糖和70mL去离子水混合，超声(100W)剥离分散1h，再加入0.62g N,N′-二环己基碳二亚胺，得到混合溶液(其中，氧化石墨的浓度为5.71mg/mL，蔗糖的浓度为25.7mg/mL，N,N′-二环己基碳二亚胺的浓度为8.85mg/mL)，90℃回流反应5h；
2)将步骤1)的反应液转入水热反应釜，200℃反应12h，离心，用水洗涤固体产物5次，60℃真空干燥，得到掺氮石墨烯基多孔碳材料(黑色粉末)。
实施例3：
一种掺氮石墨烯基多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.60g氧化石墨、0.90g果糖和70mL去离子水混合，超声(100W)剥离分散0.5h，再加入1.24g N,N′-二环己基碳二亚胺，得到混合溶液(其中，氧化石墨的浓度为8.57mg/mL，果糖的浓度为12.9mg/mL，N,N′-二环己基碳二亚胺的浓度为17.7mg/mL)，90℃回流反应4h；
2)将步骤1)的反应液转入水热反应釜，200℃反应12h，离心，用水洗涤固体产物5次，60℃真空干燥，得到掺氮石墨烯基多孔碳材料(黑色粉末)。
实施例4：
一种掺氮石墨烯基多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.20g氧化石墨、0.60g葡萄糖和70mL去离子水混合，超声(100W)剥离分散0.5h，再加入0.31g N,N′-二环己基碳二亚胺，得到混合溶液(其中，氧化石墨的浓度为2.86mg/mL，葡萄糖的浓度为8.57mg/mL，N,N′-二环己基碳二亚胺的浓度为4.42mg/mL)，90℃回流反应3h；
2)将步骤1)的反应液转入水热反应釜，190℃反应10h，离心，用水洗涤固体产物5次，60℃真空干燥，得到掺氮石墨烯基多孔碳材料(黑色粉末)。
实施例1～4中的氧化石墨通过以下方法制备得到：将180mL浓硫酸、20mL磷酸和1.5g鳞片石墨粉混合，缓慢加入9.0g高锰酸钾，50℃反应12h，再加入200g冰块和5mL质量分数30％的H2O2，混合均匀后离心，分别用100mL去离子水、100mL质量分数30％的盐酸和100mL无水乙醇洗涤得到的沉淀，60℃干燥24h。
应用例：
以实施例1制备的掺氮石墨烯基多孔碳材料作为催化剂来催化还原硝基苯制苯胺，具体操作如下：将20mg掺氮石墨烯基多孔碳材料、1.2g硝基苯和3.4g质量分数80％的水合肼混合均匀，100℃回流反应4h，得到苯胺。
用气相色谱仪对得到的苯胺进行检测分析(以苯甲醚作为内标物)，计算得到硝基苯的转化率和苯胺选择性均达到100％，说明本发明的掺氮石墨烯基多孔碳材料表现出了很好的催化活性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种掺氮石墨烯基多孔碳材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将0.40g氧化石墨、0.90g葡萄糖和70mL去离子水混合，超声剥离分散0.5h，再加入0.62g N,N′-二环己基碳二亚胺，得到混合溶液，90℃回流反应4h；
2)将步骤1)的反应液转入水热反应釜，190℃反应15h，离心，用水洗涤固体产物5次，60℃真空干燥，得到掺氮石墨烯基多孔碳材料。
2.权利要求1所述方法制备的掺氮石墨烯基多孔碳材料。
3.权利要求1所述方法制备的掺氮石墨烯基多孔碳材料作为催化剂的应用。
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