CN110422840A - 一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法 - Google Patents

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王静
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Abstract

本发明公开了一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法，属于合成氮杂石墨烯技术领域。该方法将固体有机酸、含氮小分子及其催化剂混合；将混合物置于用惰性或还原性气体保护的反应器中进行反应，反应后在相同气氛保护下冷却到室温，得到固体产物；将上述固体产物洗涤、过滤、干燥得到氮杂石墨烯产品。本发明具有无污染、低成本、工艺简单、可大规模制备的特点。

Description

一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法
技术领域
本发明属于合成氮杂石墨烯技术领域，具体涉及一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯是2004年首次成功获得的由单层sp2杂化碳构成的二维碳质晶体，具有开放的表面，优异的载流子传输能力以及易调变的表面物理化学性质，在能源存储与转换、电子信息及其生物医药领域具有极大的应用潜力。氮元素掺杂石墨烯，能够有效调节石墨烯的能级结构和表面化学性质，拓宽其在催化、电池和生物传感等领域的应用。
氮杂石墨烯应用能否实现，取决于其能否实现大规模的生产。氮杂石墨烯可由化学气相沉积法制备；电弧放电法也可以制备氮杂石墨烯；另外，将氧化石墨烯和含氮分子热解也可以制备氮杂石墨烯。虽然，化学气相沉积法和电弧放电法等可以实现氮原子的面内掺杂，但是反应条件复杂且要求较高，很难实现规模化生产。利用含氮物质对氧化石墨进行电热处理虽然可以制备氮杂石墨烯，但是氮元素在石墨烯边缘并未进入石墨烯片内。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种无污染、低成本、工艺简单、可大规模合成氮杂石墨烯的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法，其包括如下步骤：
将固体有机酸、催化剂与含氮小分子混合；
将混合物放置于用惰性或还原气体保护的反应器中进行反应，反应后在相同气氛保护下冷却到室温，得到固体产物；
将上述固体产物洗涤、过滤、干燥得到氮杂石墨烯产品。
可选的，所述的固体有机酸包括丙二酸、丁二酸、己二酸和丁烯二酸。
可选的，所述的催化剂为碳酸钠或氯化钠。
可选的，所述的含氮小分子为三聚氰胺或尿素。
可选的，所述的固体有机酸、含氮小分子和催化剂的摩尔比为1:0.1-5:0.1-20。
可选的，所述反应器中的气体为惰性气体，该惰性气体为氩气或氮气。
可选的，所述反应器中的气体为还原气体，该还原气体为氢气。
可选的，所述将固体有机酸、催化剂与含氮小分子混合的混合方式为机械研磨混合或溶液混合。
可选的，所述将固体有机酸、催化剂与含氮小分子混合的具体方式为，将固体有机酸、含氮化合物和催化剂分别制成溶液混合后，去除溶剂得到固体混合物。
可选的，所述反应的反应温度为600-1500℃，反应时间为0.1-100min。
本发明相对于现有技术具有如下优点：
(1)本发明所用的固体有机酸、尿素或三聚氰胺、碳酸钠或氯化钠等原料廉价易得，无需预处理，有利于降低成本。
(2)本发明的合成工艺流程简单，操作简便，影响因素少，便于控制，重复性好。
(3)本发明合成的氮杂石墨烯可以保持其形貌而不发生团聚。
(4)本发明中用到的碳酸钠(氯化钠)可回收后循环利用。
(5)本发明便于规模化大量合成氮杂石墨烯。
附图说明
图1是本发明实施例1氮杂石墨烯的扫描电镜(SEM)照片。
图2是本发明实施例5氮杂石墨烯的扫描电镜(SEM)照片。
图3是本发明实施例7氮杂石墨烯的扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法，包括如下步骤：
(1)将固体有机酸、含氮小分子及其催化剂混合(三者摩尔比可以为1:0.1-5:0.1-20)；
(2)将混合物置于用惰性或还原性气体保护的反应器中进行反应，反应后在相同气氛保护下冷却到室温，得到固体产物；
(3)将上述固体产物洗涤、过滤、干燥得到氮杂石墨烯产品
所述的固体有机酸包括丙二酸、丁二酸、己二酸和丁烯二酸。
所述的催化剂为碳酸钠或氯化钠。
所述的含氮小分子为三聚氰胺或尿素。
所述的惰性气氛为氩气或氮气。
所述的还原气氛为氢气。
所述的混合包括机械研磨混合或溶液混合(将固体有机酸、含氮化合物和催化剂分别制成溶液混合后，去除溶剂得到固体混合物)。
所述的反应温度为600-1500℃，
所述的反应时间为0.1-100min。
本方法以固体有机酸、含氮小分子及其无机钠盐(碳酸钠或氯化钠)为原料，无需对原料进行预处理，一步合成氮杂石墨烯，所得氮杂石墨烯具有三维网络结构，能够有效抑制石墨烯的π-π堆叠，并且保持了其优异的特性，其在大规模制备方面具有巨大的优势。
下面为本方法的一些具体实施例：
实施例1
采用机械研磨方式将丁烯二酸、碳酸钠和尿素按摩尔比1:4:0.5混合，取1.5g放置于氩气氛保护的反应器中。在1000℃反应2min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。XPS分析表明氮含量为3.0％(原子百分比)，扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，片层厚度约为2.3nm。
实施例2
采用机械研磨方式将丁烯二酸、碳酸钠和尿素按摩尔比1:1:0.5混合，取1.5g放置于氮气氛保护的反应器中。在800℃反应30min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。XPS分析表明氮含量为3.2％(原子百分比)，扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，片层厚度约为3nm。
实施例3
采用机械研磨方式将丁二酸、碳酸钠和尿素按摩尔比1:0.5:0.5混合，取1.5g放置于氮气氛保护的反应器中。在1200℃反应5min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。XPS分析表明氮含量为2％(原子百分比)，扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，片层厚度约为2.1nm。
实施例4
采用机械研磨方式将丁烯二酸、碳酸钠和三聚氰胺按摩尔比1:1:0.5混合，取1.5g放置于氮气氛保护的反应器中。在900℃反应20min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。XPS分析表明氮含量为2.2％(原子百分比)，扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，片层厚度约为4nm。
实施例5
采用机械研磨方式将丁烯二酸、碳酸钠和尿素按摩尔比1:8:0.5混合，取1.5g放置于氮气氛保护的反应器中。在800℃反应10min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。XPS分析表明氮含量为2.8％(原子百分比)，扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，片层厚度约为3.6nm。
实施例6
采用机械研磨方式将丙二酸、碳酸钠和尿素按摩尔比1:8:0.5混合，取1.5g放置于氮气氛保护的反应器中。在900℃反应5min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。XPS分析表明氮含量为2.8％(原子百分比)，扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，片层厚度约为4.1nm。
实施例7
采用机械研磨方式将丁烯二酸、碳酸钠和尿素按摩尔比1:20:5混合，取1.5g放置于氮气氛保护的反应器中。在1200℃反应3min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。XPS分析表明氮含量为3.3％(原子百分比)，扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，片层厚度约为4.1nm。

Claims (10)

1.一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将固体有机酸、催化剂与含氮小分子混合；
将混合物放置于用惰性或还原气体保护的反应器中进行反应，反应后在相同气氛保护下冷却到室温，得到固体产物；
将上述固体产物洗涤、过滤、干燥得到氮杂石墨烯产品。
2.如权利要求1所述的一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法，其特征在于，所述的固体有机酸包括丙二酸、丁二酸、己二酸和丁烯二酸。
3.如权利要求1所述的一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法，其特征在于，所述的催化剂为碳酸钠或氯化钠。
4.如权利要求1所述的一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法，其特征在于，所述的含氮小分子为三聚氰胺或尿素。
5.如权利要求1所述的一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法，其特征在于，所述的固体有机酸、含氮小分子和催化剂的摩尔比为1:0.1-5:0.1-20。
6.如权利要求1所述的一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法，其特征在于，所述反应器中的气体为惰性气体，该惰性气体为氩气或氮气。
7.如权利要求1所述的一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法，其特征在于，所述反应器中的气体为还原气体，该还原气体为氢气。
8.如权利要求1所述的一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法，其特征在于，所述将固体有机酸、催化剂与含氮小分子混合的混合方式为机械研磨混合或溶液混合。
9.如权利要求1所述的一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法，其特征在于，所述将固体有机酸、催化剂与含氮小分子混合的具体方式为，将固体有机酸、含氮化合物和催化剂分别制成溶液混合后，去除溶剂得到固体混合物。
10.如权利要求1所述的一种固体有机酸合成氮杂石墨烯的方法，其特征在于，所述反应的反应温度为600-1500℃，反应时间为0.1-100min。
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