CN109626364A - 一种氮硫双掺杂三维石墨烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮硫双掺杂三维石墨烯的制备方法,解决了现有技术成本较高、工艺复杂及产率较低等问题。本发明主要步骤为将碳前驱体、溶剂、掺杂剂及模板剂混合,进行水热反应,随后进行炭化、去除模板等工艺制备出具有三维结构的多孔石墨烯材料。本发明的产品比表面积为400~1500m2/g,层数为3~20层,电阻率小(20~50Ω·m),产率高(40~60%),孔径分布较为均匀;且制作工艺简单,成本低,易于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于功能纳米材料领域,具体涉及一种氮硫双掺杂三维石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道结合且只有单原子层厚度的二维材料,是构成碳质材料的基本单元,因具有高导电性、大的比表面积及其高的热传导性而被广泛应用于燃料电池、超级电容器、传感器等器件中,已成为研究热点。但传统石墨烯层间存在着较强的范德华力和π—π键,而导致石墨烯发生不可逆堆叠,褶皱和团聚,因此导电性和比表面积都有所降低,故无法满足实际应用需求,在一定程度上限制了其应用。为了解决这一问题,构建具有一种氮硫双掺杂三维石墨烯,利用其独特的多孔结构及优良的内在性能(具有较大的比表面积,长时间工作稳定性),从而提高石墨烯的电学性能。
目前,氮硫双掺杂三维石墨烯的制备方法主要有以下两种:1.自组装法,是一种自上而下的纳米材料的制备方法,一般以氧化石墨烯为原料,加入交联剂,在高温反应釜中发生交联反应,从而完成三维石墨烯的自组装过程。但此方法容易造成环境污染,不利于大产量制备,商业化受到了一定的限制。2.模板法,一般以铜、镍、银等作为模板,石墨为碳源,制备出的三维网状石墨烯具有较高的孔隙率和大的比表面积,有利于电解液的扩散及离子的传输。但所用的模板为铜、镍、银等贵金属,价格昂贵,并且后期需要对模板进行刻蚀,从经济和环境方面限制了其大规模商业化的应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种低成本的氮硫双掺杂三维石墨烯的制备方法,该方法制备工艺简单,原料来源丰富并且价格低廉,获得三维多孔的石墨烯,具有比表面积大,产率高,电阻率小及导电性好等优点。
具体技术方案为:
一种氮硫双掺杂三维石墨烯的制备方法,按以下步骤进行:
(1)将碳前驱体、溶剂、掺杂剂按照质量比1~5:0.1~10:0.1~5,加入到高压反应釜中,搅拌均匀,在120~200℃下反应4~8h;
(2)冷却到室温后,加入模板剂,模板剂与碳前驱体质量比为0.1~5,60~120℃水热反应2~4h后充分洗涤,取出干燥;
(3)将干燥后的原料放在气氛炉中,然后升温到800~1200℃,预定温度保温1~3h;其中升温速率为1~5℃/min,保护气氛为惰性气体;
(4)将步骤(3)中的产物进行去除模板:将步骤(3)中的产物置于酸中搅拌,经过酸洗、醇洗和水洗至中性,而后放入60~100℃,真空干燥4~6h;其中酸为:盐酸、磷酸、醋酸、硫酸中的一种;酸液的浓度为1~3mol/L。
进一步地,上述步骤(1)中碳前驱体5~50mg、溶剂20~80mL、掺杂剂2~20mg混合。
进一步地,上述步骤(1)中所采用的碳前驱体为蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、沥青、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂、聚酯树脂、环氧树脂、甘油醛中的一种或两种以上。
进一步地,上述步骤(1)中所采用的溶剂是去离子水、乙醇、异丙醇、甘油、正丁醇、N,N-二甲基吡咯烷酮、乙二胺中的一种。
进一步地,上述步骤(1)中所采用的掺杂剂为硫脲、甲硫氧嘧啶、丙硫氧嘧啶、甲巯咪唑、卡比马唑、4-塞唑啉酮、2-取代亚胺基-4-塞唑啉酮中的一种。
进一步地,上述步骤(1)中所采用的模板剂为氯化镁、硫酸镁、氯化铁、硝酸铁、柠檬酸铁、氯化铝、纳米氧化铝、碳酸铝、纳米二氧化硅中的一种。
进一步地,上述步骤(3)中所述的惰性气体为N2或Ar2。
本发明的有益效果:
1.本发明制得的氮硫双掺杂三维石墨烯的比表面积为400~1500m2/g,层数为3~20层,电阻率小(20~50Ω·m),产率高(40~60%),孔径分布较为均匀。
2.本发明采用价格低廉的原料制备氮硫双掺杂三维石墨烯,工艺简单,环境友好,节约成本,易于工业化生产。
3.采用活泼金属氧化物作为模板,且后期易于酸洗去除。
附图说明
图1为实施例3工艺制备的氮硫双掺杂三维石墨烯的扫描电镜图片。
图2为实施例5工艺制备的氮硫双掺杂三维石墨烯的扫描电镜图片。
图3为实施例1~8工艺制备的氮硫双掺杂三维石墨烯的电阻率图(注:实施例0为未掺杂氮硫的三维石墨烯)。
图4为实施例1~8工艺制备的氮硫双掺杂三维石墨烯的产率图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本文做法进一步说明,具体实施如下:
实施例1
将20mg蔗糖加入到100mL的高压反应釜中,45mL去离子水作为溶剂,加入5mg硫脲作为氮/硫源,进行搅拌,搅拌温度为80℃,搅拌2h,并在120℃下反应8h;待冷却到室温后,随后加入5mg纳米氧化铝,70℃反应2h,用去离子水洗涤多次,然后60℃真空干燥4h,冷却到室温。将干燥样品放入气氛炉中,通入氩气,以5℃/min升温至900℃,保温3h,冷却到室温取出。将产物放置于盐酸溶液(3mol/L)中,搅拌1h,过滤分离后用去离子水及乙醇洗至中性。放置于70℃干燥箱中干燥6h。即可获得氮硫双掺杂三维石墨烯,性能如下:比表面积750m2/g,层数为3~10层;电阻率56Ω·m,产率40.3%;并且SEM检测孔较为均匀。
实施例2
将10mg麦芽糖加入到100mL的高压反应釜中,30mL甘油作为溶剂,10mg甲巯咪唑,进行搅拌,搅拌温度为80℃,搅拌2h,并在130℃下反应6h;待冷却到室温后,随后加入6mg氯化铁,70℃反应2h,用去离子水洗涤多次,然后60℃真空干燥4h,冷却到室温。将干燥样品放入气氛炉中,通入氩气,以3℃/min升温至800℃,保温3h,冷却到室温取出。将产物放置于盐酸溶液(3mol/L)中,搅拌1.5h,过滤分离后用去离子水及乙醇洗至中性。放置于70℃干燥箱中干燥6h。即可获得氮硫双掺杂三维石墨烯,性能如下:比表面积850m2/g,层数为3~8层;电阻率34.2Ω·m,产率38.4%;并且SEM检测孔较为均匀。
实施例3
将15mg聚乙烯加入到100mL的高压反应釜中,30mL甘油作为溶剂,12mg甲巯咪唑,进行搅拌,搅拌温度为80℃,搅拌1h,并在150℃下反应6h;待冷却到室温后,随后加入5mg氯化镁,70℃反应2h,用去离子水洗涤多次,然后60℃真空干燥6h,冷却到室温。将干燥样品放入气氛炉中,通入氩气,以2℃/min升温至1000℃,保温2h,冷却到室温取出。将产物放置于磷酸溶液(4mol/L)中,搅拌1.5h,过滤分离后用去离子水及乙醇洗至中性。放置于80℃干燥箱中干燥6h。即可获得氮硫双掺杂三维石墨烯,性能如下:比表面积823m2/g,层数为6~10层;电阻率38.5Ω·m,产率45.2%;并且SEM检测孔较为均匀。
实施例4
将15mg蔗糖加入到100mL的高压反应釜中,30mL乙醇作为溶剂,10mg甲硫氧嘧啶,进行搅拌,搅拌温度为80℃,搅拌2h,并在150℃下反应6h;待冷却到室温后,随后加入5mg氯化镁,70℃反应2h,用去离子水洗涤多次,然后60℃真空干燥6h,冷却到室温。将干燥样品放入气氛炉中,通入氩气,以2℃/min升温至1200℃,保温2h,冷却到室温取出。将炭化产物放置于磷酸溶液(5mol/L)中,搅拌1h,过滤分离后用去离子水及乙醇洗至中性。放置于80℃干燥箱中干燥6h。即可获得氮硫双掺杂三维石墨烯,性能如下:比表面积895m2/g,层数为5~10层;电阻率26.5Ω·m,产率42.7%;并且SEM检测孔较为均匀。
实施例5
将12mg甘油醛加入到100mL的高压反应釜中,35mL乙醇作为溶剂,10mg甲巯咪唑,进行搅拌,搅拌温度为80℃,搅拌1h,并在150℃下反应6h;待冷却到室温后,随后加入10mg硝酸铁,70℃反应2h,用去离子水洗涤多次,然后70℃真空干燥6h,冷却到室温。将干燥样品放入气氛炉中,通入氩气,以1℃/min升温至1200℃,保温2h,冷却到室温取出。将产物放置于硝酸溶液(3mol/L)中,搅拌2h,过滤分离后用去离子水及乙醇洗至中性。放置于80℃干燥箱中干燥4h。即可获得氮硫双掺杂三维石墨烯,性能如下:比表面积855m2/g,层数为6~10层;电阻率35Ω·m,产率45.6%,产率43%;并且SEM检测孔较为均匀。
实施例6
将30mg酚醛树脂加入到100mL的高压反应釜中,30mL去离子水作为溶剂,10mg丙巯咪唑,进行搅拌,搅拌温度为80℃,搅拌1h,并在120℃下反应6h;待冷却到室温后,随后加入15mg氯化镁,70℃反应2h,用去离子水洗涤多次,然后60℃真空干燥6h,冷却到室温。将干燥样品放入气氛炉中,通入氩气,以2℃/min升温至1000℃,保温3h,冷却到室温取出。将产物放置于盐酸酸溶液(4mol/L)中,搅拌1小时,过滤分离后用去离子水及乙醇洗至中性。放置于80℃干燥箱中干燥6h。即可获得氮硫双掺杂三维石墨烯,性能如下:比表面积903m2/g,层数为3~6层;电阻率25.7Ω·m,产率50.3%;并且SEM检测孔较为均匀。
实施例7
将20mg沥青加入到100mL的高压反应釜中,30mL卡比马唑作为溶剂,15mg硫脲,进行搅拌,搅拌温度为80℃,搅拌1h,并在150℃下反应6h;待冷却到室温后,随后加入10mg纳米氧化铝,70℃反应2h,用去离子水洗涤多次,然后70℃真空干燥6h,冷却到室温。将干燥样品放入气氛炉中,通入氩气,以1℃/min升温至1200℃,保温1h,冷却到室温取出。将产物放置于硫酸溶液(3mol/L)中,搅拌1h,过滤分离后用去离子水及乙醇洗至中性。放置于80℃干燥箱中干燥6h。即可获得氮硫双掺杂三维石墨烯,性能如下:比表面积803m2/g,层数为6~10层;电阻率41.2Ω·m,产率44.5%;并且SEM检测孔较为均匀。
实施例8
将25mg聚酯树脂加入到100mL的高压反应釜中,30mL甘油作为溶剂,10mg甲巯咪唑,进行搅拌,搅拌温度为80℃,搅拌1h,并在180℃下反应4h;待冷却到室温后,随后加入10mg氯化镁,70℃反应2h,用去离子水洗涤多次,然后60℃真空干燥6h,冷却到室温。将干燥样品放入气氛炉中,通入氩气,以2℃/min升温至1000℃,保温2h,冷却到室温取出。将产物放置于盐酸溶液(4mol/L)中,搅拌1h,过滤分离后用去离子水及乙醇洗至中性。放置于80℃干燥箱中干燥6h。即可获得氮硫双掺杂三维石墨烯,性能如下:比表面积830m2/g,层数为5~10层;电阻率35.5Ω·m,产率42.5%;并且SEM检测孔较为均匀。
Claims (7)
1.一种氮硫双掺杂三维石墨烯的制备方法,其特征在于,包括步骤如下:
(1)将碳前驱体、溶剂、掺杂剂按照质量比1~5:0.1~10:0.1~5,加入到高压反应釜中,搅拌均匀,在120~200℃下反应4~8h;
(2)冷却到室温后,加入模板剂,模板剂与碳前驱体质量比为0.1~5,60~120℃水热反应2~4h后充分洗涤,取出干燥;
(3)将干燥后的原料放在气氛炉中,然后升温到800~1200℃,预定温度保温1~3h;其中升温速率为1~5℃/min,保护气氛为惰性气体;
(4)将步骤(3)中的产物进行去除模板:将步骤(3)中的产物置于酸中搅拌,经过酸洗、醇洗和水洗至中性,而后放入60~100℃,真空干燥4~6h;其中酸为:盐酸、磷酸、醋酸、硫酸中的一种;酸液的浓度为1~3mol/L。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)中碳前驱体5~50mg、溶剂20~80mL、掺杂剂2~20mg混合。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所采用的碳前驱体为蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、沥青、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂、聚酯树脂、环氧树脂、甘油醛中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所采用的溶剂是去离子水、乙醇、异丙醇、甘油、正丁醇、N,N-二甲基吡咯烷酮、乙二胺中的一种。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所采用的掺杂剂为硫脲、甲硫氧嘧啶、丙硫氧嘧啶、甲巯咪唑、卡比马唑、4-塞唑啉酮、2-取代亚胺基-4-塞唑啉酮中的一种。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所采用的模板剂为氯化镁、硫酸镁、氯化铁、硝酸铁、柠檬酸铁、氯化铝、纳米氧化铝、碳酸铝、纳米二氧化硅中的一种。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)中所述的惰性气体为N2或Ar2。
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PB01 | Publication | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190416 |
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