CN107804837A - 一种3d纳米片结构氮掺杂类石墨烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石墨烯材料制备的领域，特别涉及一种3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯的制备方法，该方法包含如下步骤：（1）、将植物油与氮源以质量比1：1‑20进行混合、研磨5‑120 min，得到混合物A，所述氮源为尿素、三聚氰胺、二聚氰胺中的一种或两种以上的混合物；所述的植物油为玉米油、大豆油、菜籽油、葵花籽油、花生油中的一种或两种以上的混合物；（2）、将步骤（1）中得到的混合物A置于管式炉中在氮气氛围下，以1‑8℃/min的升温速率升温至800‑1400℃进行煅烧2‑10 h，得到产品。本发明制备方法操作省时简单、适合量产，且所制材料呈3D立体结构，具有比表面积大、孔容大等特点。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯材料制备的领域，特别涉及一种3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯自2004年被发现以来，其研究热潮持续至今。石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。它是一种由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构, 可以翘曲成零维（0D）的富勒烯或卷曲成一维(1D)的碳纳米管或者堆垛成三维(3D)的石墨, 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯特殊的物理化学结构使其具有许多革新性能，它有很好的强度、导热性和导电性，同时它的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，因此，石墨烯是目前最为理想的二维纳米材料。
类石墨烯材料是一类具有石墨烯结构的准二维体系材料，类石墨烯结构是把具有类似于石墨层状晶体结构的无机化合物通过物理剥离等方法或者通过化学合成方法得到的单原子( 分子) 层厚度或者多层单原子( 分子) 层堆积至几纳米厚的准二维纳米结构体系。类石墨烯材料由于具有与石墨烯类似的结构及其革新性能，在吸附、催化、航空航天、新能源电池领域等方面有着极大的应用前景，已经成为继石墨烯之后研究的一个热点．
类石墨烯材料的常用制备方法有：（1）“自上而下”法；（2“自下而上”法。“自上而下”法主要是通过剥离法制备单层或几层分子厚度的类石墨烯结构化合物。该方法可以得到品质高、性能优异的类石墨烯，但该方法耗时耗力，无法满足量产的要求。“自下而上”的方法是指通过化学合成方法由原子(分子)合成单层或者几层原子(分子)厚度的二维纳米类石墨烯结构。“自下而上”法可控性更强、能量产，但操作控制复杂，合成成本高，而且纯度、光电性能等方面也比剥离法的性能差。因此，如何简单有效的制备一种适合量产的类石墨烯材料具有重要的意义。
发明内容
本发明为解决上述氮掺杂类石墨烯材料制备过程中操作繁琐，浪费材料，制备时间长等技术问题而提供一种简单有效的3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯的制备方法，该方法包含如下步骤：
（1）、将植物油与氮源以质量比1：1-20进行混合、研磨5-120 min，得到混合物A，所述氮源为尿素、三聚氰胺、二聚氰胺中的一种或两种以上的混合物；所述的植物油为玉米油、大豆油、菜籽油、葵花籽油、花生油中的一种或两种以上的混合物；
（2）、将步骤（1）中得到的混合物A置于管式炉中在氮气氛围下，以1-8℃/min的升温速率升温至800-1400℃进行煅烧2-10 h，得到一种具有3D纳米片结构的氮掺杂类石墨烯材料。
本发明制备方法操作省时简单、适合量产，且所制材料呈3D立体结构，具有比表面积大、孔容大等特点。同时，由于所使用的碳源为可再生碳源，符合了可持续发展的原则，并且由于氮掺杂，改善了石墨烯的性能。
本发明使用植物油和氮源，研磨后让植物油与氮源充分混合形成紧密堆积。将得到的植物油与氮源的混合物置于在氮气氛围下煅烧，由于植物油和氮源在高温下热解剥离，相互掺杂反应，使得煅烧后得到产物形成了掺氮类石墨烯复合结构。同时，由于材料煅烧后呈3D立体结构，即得到了一种3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料。煅烧温度越高，所得到的类石墨烯材料石墨化程度越高，孔体积也越大。并且通过改变容器和混合物的形状，还可以得到宏观具有特定形状的3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料。
作为优选，所述的植物油与氮源的质量比为1：1-20。
作为优选，步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1： 1；所述的氮源为尿素；所述的植物油为玉米油。
作为优选，步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：2；所述的氮源为二聚氰胺；所述的植物油为菜籽油。
作为优选，步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：4；所述的氮源为三聚氰胺；所述的植物油为大豆油。
作为优选，步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：6；所述的氮源为三聚氰胺和尿素的混合物，两者质量比为1:1；所述的植物油为葵花籽油。
作为优选，步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：8；所述的氮源为二聚氰胺和三聚氰胺的混合物，两者质量比为1:1；所述的植物油为大豆油和花生油的混合油，两者质量比为1:1。
作为优选，步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：10；所述的氮源为尿素和二聚氰胺的混合物，两者质量比为1:1；所述的植物油为玉米油和菜籽油的混合油，两者质量比为1:1。
作为优选，步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：15；所述的氮源为三聚氰胺和尿素的混合物，两者质量比为1:1；所述的植物油为大豆油和葵花籽油的混合油，两者质量比为1:1。
作为优选，步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：20；所述的氮源为二聚氰胺和三聚氰胺的混合物，两者质量比为1:1；所述的植物油为大豆油、菜籽油和葵花籽油的混合油，三者质量比为1:1:1。
本发明的有益效果是：本发明的3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯的制备方法在充分混合植物油和含氮有机化合物后直接高温热解，缩短了材料的制备时间。除此，由于氮掺杂，提高了材料中氨基的含量，改善了类石墨烯的性能。本发明得到的氮掺杂类石墨烯复合材料，呈3D立体结构，且具有较大的比表面积及孔容，其比表面150-600 m2/g,孔径2-8 nm，孔体积2-7.5 cm3/g，并且材料的石墨化程度可以调控，在生物医药、催化、航空航天、新能源电池领域等方面有着极大的应用前景。本方法具有操作简单，生产成本低，可控性更强，适合量产等特点。相比于普通石墨烯，本发明最终所得的3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料不仅具有较大的比表面积，而且成3D立体结构，利于实际应用。
附图说明
图1是本发明不同宏观形状3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯的照片；
图2是本发明3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1
一种3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料的制备方法，具体包含如下步骤：
（1）、按质量比计算，即植物油：氮源为1：1，将2g植物油与2g氮源混合，并充分混合研磨5 min，将得到的混合物转入到石英舟里；
所述的氮源为尿素；
所述的植物油为玉米油。
（2）、将步骤（1）中得到的含氮源的植物油的混合物置于管式炉中在氮气氛围下，以2℃/min的升温速率升温至900℃进行煅烧2h，得到3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料。
采用贝士德3H-2000PS4型比表面积及孔径分析仪对上述所得的3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料进行测定，其比表面积为176 m2/g，孔径为2.8 nm，孔体积为3.15 cm3/g。
实施例2
一种3D结构氮掺杂的类石墨烯材料的制备方法，具体包含如下步骤：
（1）、按质量比计算，即植物油：氮源为1：2，将2g植物油与4g氮源混合，并充分混合研磨15 min，将得到的混合物转入到石英舟里；
所述的氮源为二聚氰胺；
所述的植物油为菜籽油。
（2）、将步骤（1）中得到的含氮源的植物油的混合物置于管式炉中在氮气氛围下，以3℃/min的升温速率升温至800℃进行煅烧8 h，得到3D结构氮掺杂的类石墨烯材料。
采用贝士德3H-2000PS4型比表面积及孔径分析仪对上述所得的3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料进行测定，其比表面积为255 m2/g，孔径为4.4 nm，孔体积为2.89 cm3/g。
实施例3
一种3D结构氮掺杂的类石墨烯材料的制备方法，具体包含如下步骤：
（1）、按质量比计算，即植物油：氮源为1：4，将2g植物油与8g氮源混合，并充分混合研磨30 min，将得到的混合物转入到石英舟里；
所述的氮源为三聚氰胺；
所述的植物油为大豆油。
（2）、将步骤（1）中得到的含氮源的植物油的混合物置于管式炉中在氮气氛围下，以3℃/min的升温速率升温至1000℃进行煅烧2h，得到3D结构氮掺杂的类石墨烯材料。
采用贝士德3H-2000PS4型比表面积及孔径分析仪对上述所得的3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料进行测定，其比表面积为291 m2/g，孔径为5.5 nm，孔体积为5.16 cm3/g。
实施例4
一种3D结构氮掺杂的类石墨烯材料的制备方法，具体包含如下步骤：
（1）、按质量比计算，即植物油：氮源为1：6，将2g植物油与12g氮源混合，并充分混合研磨60 min，将得到的混合物转入到石英舟里；
所述的氮源为三聚氰胺和尿素的混合物，两者质量比为1:1；
所述的植物油为葵花籽油。
（2）、将步骤（1）中得到的含氮源的植物油的混合物置于管式炉中在氮气氛围下，以4℃/min的升温速率升温至1200℃进行煅烧5h，得到3D结构氮掺杂的类石墨烯材料。
采用贝士德3H-2000PS4型比表面积及孔径分析仪对上述所得的3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料进行测定，其比表面积为383 m2/g，孔径为4.8 nm，孔体积为6.46 cm3/g。
实施例5
一种3D结构氮掺杂的类石墨烯材料的制备方法，具体包含如下步骤：
（1）、按质量比计算，即植物油：氮源为1：8，将2g植物油与16g氮源混合，并充分混合研磨60 min，将得到的混合物转入到石英舟里；
所述的氮源为二聚氰胺和三聚氰胺的混合物，两者质量比为1:1；
所述的植物油为大豆油和花生油的混合油，两者质量比为1:1。
（2）、将步骤（1）中得到的含氮源的植物油的混合物置于管式炉中在氮气氛围下，以5℃/min的升温速率升温至1100℃进行煅烧2h，得到3D结构氮掺杂的类石墨烯材料。
采用贝士德3H-2000PS4型比表面积及孔径分析仪对上述所得的3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料进行测定，其比表面积为573 m2/g，孔径为7.6 nm，孔体积为7.34 cm3/g。
实施例6
一种3D结构氮掺杂的类石墨烯材料的制备方法，具体包含如下步骤：
（1）、按质量比计算，即植物油：氮源为1：10，将2g植物油与20g氮源混合，并充分混合研磨90 min，将得到的混合物转入到石英舟里；
所述的氮源为尿素和二聚氰胺的混合物，两者质量比为1:1;
所述的植物油为玉米油和菜籽油的混合油，两者质量比为1:1。
（2）、将步骤（1）中得到的含氮源的植物油的混合物置于管式炉中在氮气氛围下，以1.5 ℃/min的升温速率升温至1300℃进行煅烧6h，得到3D结构氮掺杂的类石墨烯材料。
采用贝士德3H-2000PS4型比表面积及孔径分析仪对上述所得的3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料进行测定，其比表面积为481 m2/g，孔径为6.56 nm，孔体积为4.11 cm3/g。
实施例7
一种3D结构氮掺杂的类石墨烯材料的制备方法，具体包含如下步骤：
（1）、按质量比计算，即植物油：氮源为1：15，将2g植物油与30g氮源混合，并充分混合研磨120 min，将得到的混合物转入到石英舟里；
所述的氮源为三聚氰胺和尿素的混合物，两者质量比为1:1；
所述的植物油为大豆油和葵花籽油的混合油，两者质量比为1:1。
（2）、将步骤（1）中得到的含氮源的植物油的混合物置于管式炉中在氮气氛围下，以2℃/min的升温速率升温至1400℃进行煅烧3h，得到3D结构氮掺杂的类石墨烯材料。
采用贝士德3H-2000PS4型比表面积及孔径分析仪对上述所得的3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料进行测定，其比表面积为593 m2/g，孔径为7.88 nm，孔体积为3.32 cm3/g。
实施例8
一种3D结构氮掺杂的类石墨烯材料的制备方法，具体包含如下步骤：
（1）、按质量比计算，即植物油：氮源为1：20，将2g植物油与40g氮源混合，并充分混合研磨120 min，将得到的混合物转入到石英舟里；
所述的氮源为二聚氰胺和三聚氰胺的混合物，两者质量比为1:1；
所述的植物油为大豆油、菜籽油和葵花籽油的混合油，三者质量比为1:1:1。
（2）、将步骤（1）中得到的含氮源的植物油的混合物置于管式炉中在氮气氛围下，以2℃/min的升温速率升温至1400℃进行煅烧5h，得到3D结构氮掺杂的类石墨烯材料。
采用贝士德3H-2000PS4型比表面积及孔径分析仪对上述所得的3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料进行测定，其比表面积为399 m2/g，孔径为5.91nm，孔体积为3.97 cm3/g。
本发明3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯的照片见图1，通过改变煅烧时所装混合前物体的容器形状，可以得到宏观具有特定形状3D类石墨烯。本发明3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯的扫描电镜照片见图2。综上所述，本发明制得的3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯材料的比表面积为150-600 m2/g,孔径2-8 nm，孔体积2-7.5 cm3/g，说明本发明的制备方法所得的3D纳米片结构氮掺杂的类石墨烯材料比表面积以及孔体积较大，孔结构均匀，并且材料的石墨化程度可以调控，其可应用于生物医药、电化学以及CO2捕获与催化资源化等方面。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (10)
1.一种3D纳米片结构氮掺杂类石墨烯的制备方法，其特征在于该方法包含如下步骤：
（1）、将植物油与氮源以质量比1：1-1000进行混合、研磨0.5-1.5h，得到混合物A，所述氮源为尿素、三聚氰胺、二聚氰胺、单聚氰胺中的一种或两种以上的混合物；所述的植物油为玉米油、大豆油、菜籽油、葵花籽油、花生油中的一种或两种以上的混合物；
（2）、将步骤（1）中得到的混合物A置于管式炉中在氮气氛围下，以1-5℃/min的升温速率升温至800-1400℃进行煅烧2-6h，得到一种具有3D纳米片结构的氮掺杂类石墨烯材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的植物油与氮源的质量比为1：1-20。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1： 1；所述的氮源为尿素；所述的植物油为玉米油。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：2；所述的氮源为二聚氰胺；所述的植物油为菜籽油。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：4；所述的氮源为三聚氰胺；所述的植物油为大豆油。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：6；所述的氮源为三聚氰胺和尿素的混合物，两者质量比为1:1；所述的植物油为葵花籽油。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：8；所述的氮源为二聚氰胺和三聚氰胺的混合物，两者质量比为1:1；所述的植物油为大豆油和花生油的混合油，两者质量比为1:1。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：10；所述的氮源为尿素和二聚氰胺的混合物，两者质量比为1:1；所述的植物油为玉米油和菜籽油的混合油，两者质量比为1:1。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：15；所述的氮源为三聚氰胺和尿素的混合物，两者质量比为1:1；所述的植物油为大豆油和葵花籽油的混合油，两者质量比为1:1。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的植物油和氮源的质量比为1：20；所述的氮源为二聚氰胺和三聚氰胺的混合物，两者质量比为1:1；所述的植物油为大豆油、菜籽油和葵花籽油的混合油，三者质量比为1:1:1。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180316 |
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