CN111573659B - 一种氮掺杂石墨烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮掺杂石墨烯的制备方法,该方法包括以下步骤:首先将石墨粉在含氮活性气氛中热处理进行氮化和膨胀,得到氮掺杂石墨;再将氮掺杂石墨分散于溶剂中,通过超声分散、离心,收集上清液,得到氮掺杂石墨烯材料。采用本发明方法不会在石墨烯片层中引入孔洞、化学基团等结构缺陷,制备的氮掺杂石墨烯具有片层完整、缺陷少、氮含量高、结构稳定等优点,并且与现有技术相比,本发明制备工艺过程非常简单、快速、高效,成本低廉,容易实现规模化生产和应用。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯材料的技术领域,更具体的说是涉及一种氮掺杂石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯是由碳原子六元环排列构成的一种新型二维晶体材料。自其2004年由英国曼彻斯特大学科学家发现以来,由于其具有超高的比表面积、优异的力学、电学、光学、热学和多功能特性等诸多优点,在能源、电子、环境等领域中显示出重要的研究价值和应用前景。
人们通过各种化学改性的方法尝试对石墨烯的结构和性能进行改善和调控,尤其是化学元素掺杂,可以使石墨烯在结构和性能上均有较大的提升。氮原子具有与碳原子相近的原子尺寸,非常容易替代碳原子结合到石墨烯的碳碳骨架中。同时,由于氮原子较高的电负性,与碳原子结合时的孤对电子能够与碳层的π键电子形成共轭体系,能够有效提高石墨烯的电子特性和化学活性,从而在微纳电子器件、催化、电化学、传感等功能领域具有更重要、更广泛的应用。
目前,制备氮掺杂石墨烯的常用方法是先合成氧化石墨烯,再通过高温加热、溶剂热、氮等离子放电、微波辐照等后续方法进行掺氮。然而,这些后续掺氮方法的缺点是引入的氮组分很难在碳层内部形成稳定的结合结构,同时会在石墨烯碳层内引入大量的孔洞缺陷和不必要的氧基团,从而严重影响石墨烯的性能和结构稳定性;也有以含碳和含氮的前驱体作为碳源和氮源,通过化学气相沉积或电弧放电方法直接合成氮掺杂石墨烯。但是,这些方法涉及生长基底的处理,石墨烯薄膜的分离、转移等复杂过程,并且这些工艺条件苛刻、对设备和成本的要求非常高,难以规模化生产。
因此,如何提供一种低缺陷、低成本、高品质,并且工艺简单、快速、高效制备氮掺杂石墨烯的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于,针对现有技术的不足,提供一种成本低廉、品质良好、缺陷少,制备工艺简单、快速、高效的氮掺杂石墨烯的制备方法。
本发明提供的氮掺杂石墨烯的制备方法完全不同于以往的后续掺氮法和直接掺氮法,而是在石墨粉原料中直接掺入氮元素,再经过超声剥离等工艺制备出氮掺杂石墨烯。该方法制备的氮掺杂石墨烯缺陷少,不会引入氧基团,片层完整,氮原子稳定结合在石墨烯碳层内,且石墨烯层数少。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种氮掺杂石墨烯的制备方法,包括以下步骤:
(1)将石墨粉在含氮活性气氛中热处理,使氮元素掺入石墨层中并使石墨膨胀;
(2)将步骤(1)得到的氮掺杂石墨粉分散于溶剂中,通过超声分散、离心,收集上清液,得到氮掺杂石墨烯材料。
优选的,在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中,步骤(1)中所述石墨粉为天然鳞片状石墨、裂解膨胀石墨或其它未经任何化学修饰的片层状石墨粉中的一种。
上述技术方案的有益效果是:天然鳞片状石墨和裂解膨胀石墨来源广泛易得,而且采用未经任何化学修饰的片层状石墨粉作为原料,能够避免在高温预氮化和剥离过程中引入额外的化学反应,从而保证石墨层结构的完整性。
优选的,在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中,步骤(1)中所述含氮活性气氛为氨气、氨气与氩气混合气体、氨气与氦气混合气体、氨气与氮气混合气体、氨气与氢气混合气体中的一种。
上述技术方案的有益效果是:本发明采用氨气作为氮源,而非以往常用的含氮有机物作氮源,是由于氨气作为还原性的气态小分子能够有效扩散渗入到碳层之间,并且在一定热处理温度下分解出氮原子对碳层进行掺杂,同时分解后的小分子气体会随气流排出,不会在碳层内引入氧基团等其它组分。
优选的,在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中,步骤(1)中所述热处理温度为500-1200℃,升温速率为2-20℃/min,气流速度为0.06-0.6L/min,热处理时间为0.5-12h。
上述技术方案的有益效果是:实验结果证实,在上述预氮化条件下能够实现氮原子掺杂。石墨粉在500℃以上的温度下预氮化处理0.5h,氨气分解出的氮原子能够有效结合到碳碳骨架中实现氮原子掺杂,氮原子含量达到1.0%;并且随着热处理温度升高和热处理时间增长,石墨烯产物中的氮原子含量逐渐提高。
优选的,在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中,步骤(2)中所述溶剂是与石墨烯表面具有润湿性的有机溶剂,或者所述溶剂是对石墨层具有插层作用的离子水溶液。
上述技术方案的有益效果是:石墨碳层由于碳碳原子间的共价键结构而使其表面呈现出典型的非极性,因此难以直接分散在水中。一方面,本发明将氮掺杂石墨粉分散到与石墨烯表面具有相似的非极性的有机溶剂中,通过超声分散中的高能震荡降低石墨烯的表面能,使碳层被逐渐剥离开并分散到溶剂中形成石墨烯;另一方面,本发明也将氮掺杂石墨粉分散到离子水溶液中,利用小尺寸离子和表面活性剂分子与石墨烯片层间的电荷静电作用,在超声过程中对碳层进行插层剥离,使碳层分离并分散到溶剂中形成石墨烯。利用上述技术方案,能够简便、快速地实现碳层剥离获得氮掺杂石墨烯材料。
优选的,在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中,所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、四氢呋喃、丙醇、异丙醇、乙二醇、乙醇、丙酮、硝基甲烷、甲苯、聚乙烯吡咯烷酮/N,N-二甲基甲酰胺溶液、聚乙烯吡咯烷酮/N,N-二甲基乙酰胺溶液、聚乙烯吡咯烷酮/N-甲基吡咯烷酮溶液、聚乙烯吡咯烷酮/二甲基亚砜溶液、聚乙烯吡咯烷酮/N,N-四氢呋喃溶液、聚乙烯吡咯烷酮/丙醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮/异丙醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮/乙二醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮/乙醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮/硝基甲烷溶液中的一种。
优选的,在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中,所述溶剂为氯化氢、磷酸、氯酸锂、高氯酸锂、氯化钾、高氯酸钾、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、脂肪醇醚硫酸钠的水溶液中的一种。
优选的,在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中,步骤(2)中所述氮掺杂石墨粉在所述溶剂中的分散浓度为0.01-2.0mg/mL。氮掺杂石墨粉在溶剂中的浓度不宜过高,以免影响其分散性和产生团聚。
优选的,在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中,步骤(2)中所述超声分散的功率为40-300W,超声频率为40-60kHz,超声时间为1-48h。
优选的,在上述一种氮掺杂石墨烯的制备方法中,步骤(2)中所述离心的转速为5000-16000rpm,离心力为5000-18000×g,离心时间为1-15min。在较高离心速度下对产物进行分离,能够尽可能的保证获得单层或少层的氮掺杂石墨烯产物。
经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本发明公开的一种氮掺杂石墨烯的制备方法,具有以下明显的技术优势和效果:
(1)采用本发明所述方法制备得到的氮掺杂石墨烯,不会在石墨烯片层中引入孔洞、化学基团等结构缺陷,制备的氮掺杂石墨烯具有缺陷少、片层结构完整、氮原子含量高和结构稳定、石墨烯层数少的优点;
(2)采用本发明所述方法获得的氮掺杂石墨烯均匀分散于溶剂中,不存在团聚等问题,更有利于石墨烯与其它材料进行复合。
(3)本发明提供的氮掺杂石墨烯的制备方法,工艺过程非常简单、制备过程快速、高效,对原料和设备要求低,成本低廉,非常适合规模化的大量生产和应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为实施例1制备的氮掺杂石墨烯片的TEM照片;
图2附图为实施例1制备的氮掺杂石墨烯片边缘的高分辨TEM照片;
图3附图为实施例1制备的氮掺杂石墨的EDS谱图;
图4附图为实施例2制备的氮掺杂石墨的EDS谱图;
图5附图为实施例3制备的氮掺杂石墨的EDS谱图;
图6附图为实施例4制备的氮掺杂石墨的EDS谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
将天然鳞片状石墨(325目)置于坩埚中,在真空管式炉中以0.15L/min流速通入氩气以排除炉管内空气,之后以0.1L/min气流速度改通氨气,同时以5℃/min速率升温至900℃保温热处理5h进行氮化和膨胀,待反应炉自然降至室温后改通氩气0.5h,获得氮掺杂石墨。将氮掺杂石墨分散于N,N-二甲基甲酰胺中,浓度为0.5mg/mL,在100W功率和40kHz频率下对其超声分散6h;然后将分散液在10000rpm转速,即约10000×g离心力下离心5min,用吸管吸取上层清液,即得到氮掺杂石墨烯。
如图1所示的TEM照片,实施例1制备得到的氮掺杂石墨烯片结构完整,石墨烯片尺寸分布在500nm-20μm;如图2所示,石墨烯片层内无明显的孔洞缺陷,从石墨烯片层边缘可以看出单片石墨烯只含少数几层石墨,是典型的石墨烯结构。如图3所示,能谱分析仪测试结果显示其含氮量为14.77%。需要说明的是,上述制备过程中N,N-二甲基甲酰胺溶剂中含有的氮元素可能吸附在石墨层表面,从而干扰氮元素含量测试结果。因此,利用能谱分析仪预先检测氮掺杂石墨中的氮掺杂含量,该检测结果能够准确反映石墨烯片层内掺入的氮原子含量。如无特殊说明,其它实施例中氮元素含量的表征均采用该方法。上述结果表明,利用本发明方法能够成功制备出氮掺杂石墨烯。
实施例2
将天然鳞片状石墨(325目)置于坩埚中,在真空管式炉中以0.15L/min流速通入氩气以排除炉管内空气,之后以0.6L/min气流速度改通氨气,同时以2℃/min速率升温至500℃保温热处理12h进行氮化和膨胀,待反应炉自然降至室温后改通氩气0.5h,获得氮掺杂石墨。将氮掺杂石墨分散于乙醇中,浓度为0.05mg/mL,在300W功率和60kHz频率下对其超声分散24h;然后将分散液在10000rpm转速,即约10000×g离心力下离心5min,用吸管吸取上层清液,即得到氮掺杂石墨烯。
如图4所示,能谱分析仪测试结果显示其含氮量为10.65%。
实施例3
将天然鳞片状石墨(325目)置于坩埚中,在真空管式炉中以0.15L/min流速通入氩气以排除炉管内空气,之后以0.1L/min气流速度改通氨气,同时以5℃/min速率升温至700℃保温热处理5h进行氮化和膨胀,待反应炉自然降至室温后改通氩气0.5h,获得氮掺杂石墨。将氮掺杂石墨分散于四氢呋喃中,浓度为0.5mg/mL,在100W功率和40kHz频率下对其超声分散6h;然后将分散液在10000rpm转速,即约10000×g离心力下离心5min,用吸管吸取上层清液,即得到氮掺杂石墨烯。
如图5所示,能谱分析仪测试结果显示其含氮量为12.99%。
实施例4
将天然鳞片状石墨(325目)置于坩埚中,在真空管式炉中以0.15L/min流速通入氩气以排除炉管内空气,之后以0.1L/min气流速度改通氨气,同时以20℃/min速率升温至1200℃保温热处理0.5h进行氮化和膨胀,待反应炉自然降至室温后改通氩气0.5h,获得氮掺杂石墨。将氮掺杂石墨分散于聚乙烯吡咯烷酮/N,N-二甲基甲酰胺溶液混合溶剂中,浓度为2.0mg/mL,在100W功率和40kHz频率下对其超声分散6h;然后将分散液在10000rpm转速,即约10000×g离心力下离心5min,用吸管吸取上层清液,即得到氮掺杂石墨烯。
如图6所示,能谱分析仪测试结果显示其含氮量为16.22%。
实施例5
将天然鳞片状石墨(8000目)置于坩埚中,在真空管式炉中以0.15L/min流速通入氩气以排除炉管内空气,之后以0.1L/min气流速度改通氨气与氩气的混合气体(氨气体积分数为10%),同时以5℃/min速率升温至900℃保温热处理5h进行氮化和膨胀,待反应炉自然降至室温后改通氩气0.5h,获得氮掺杂石墨。将氮掺杂石墨分散于N-甲基吡咯烷酮中,浓度为0.5mg/mL,在40W功率和40kHz频率下对其超声分散6h;然后将分散液在16000rpm转速,即约18000×g离心力下离心15min,用吸管吸取上层清液,即得到氮掺杂石墨烯。
实施例6
将商用高温裂解石墨置于坩埚中,在真空管式炉中以0.15L/min流速通入氩气以排除炉管内空气,之后以0.6L/min气流速度改通氨气与氮气的混合气体(氨气体积分数为50%),同时以5℃/min速率升温至900℃保温热处理5h进行氮化和膨胀,待反应炉自然降至室温后改通氩气0.5h,获得氮掺杂石墨。将氮掺杂石墨分散于聚乙烯吡咯烷酮/N-甲基吡咯烷酮中,浓度为0.5mg/mL,在100W功率和40kHz频率下对其超声分散6h;然后将分散液在10000rpm转速,即约10000×g离心力下离心5min,用吸管吸取上层清液,即得到氮掺杂石墨烯。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的技术方案而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种氮掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将石墨粉在含氮活性气氛中热处理,使氮元素掺入石墨层中并使石墨膨胀;
(2)将步骤(1)得到的氮掺杂石墨粉分散于溶剂中,通过超声分散、离心,收集上清液,得到氮掺杂石墨烯材料;
步骤(1)中所述石墨粉为天然鳞片状石墨、裂解膨胀石墨或其它未经任何化学修饰的片层状石墨粉中的一种;所述含氮活性气氛为氨气、氨气与氩气混合气体、氨气与氦气混合气体、氨气与氮气混合气体、氨气与氢气混合气体中的一种;
步骤(2)中所述超声分散的功率为40-300W,超声频率为40-60kHz,超声时间为1-48h;所述离心的转速为5000-16000rpm,离心力为5000-18000×g,离心时间为1-15min。
2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述热处理温度为500-1200℃,升温速率为2-20℃/min,气流速度为0.06-0.6L/min,热处理时间为0.5-12h。
3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述溶剂是与石墨烯表面具有润湿性的有机溶剂,或者所述溶剂是对石墨层具有插层作用的离子水溶液。
4.根据权利要求1或3所述的一种氮掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、四氢呋喃、丙醇、异丙醇、乙二醇、乙醇、丙酮、硝基甲烷、甲苯、聚乙烯吡咯烷酮/N,N-二甲基甲酰胺溶液、聚乙烯吡咯烷酮/N,N-二甲基乙酰胺溶液、聚乙烯吡咯烷酮/N-甲基吡咯烷酮溶液、聚乙烯吡咯烷酮/二甲基亚砜溶液、聚乙烯吡咯烷酮/N,N-四氢呋喃溶液、聚乙烯吡咯烷酮/丙醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮/异丙醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮/乙二醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮/乙醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮/硝基甲烷溶液中的一种。
5.根据权利要求1或3所述的一种氮掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,所述溶剂为氯化氢、磷酸、氯酸锂、高氯酸锂、氯化钾、高氯酸钾、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、脂肪醇醚硫酸钠的水溶液中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种氮掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述氮掺杂石墨粉在所述溶剂中的分散浓度为0.01-2.0mg/mL。
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