[发明专利]一种氮掺杂石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂石墨烯的制备方法，具体涉及一种以三聚氰胺为氮源在惰性气体保护下高温制备氮掺杂石墨烯的简便、规模化新方法，属于材料合成化学领域。

背景技术

作为一种能隙为零的半导体，石墨烯（Graphene）应用于微电子器件的一个重要前提是其带隙、载流子浓度等可调，而化学掺杂是实现这种调控的有效手段。因此，石墨烯的掺杂已经成为物理学、化学和材料学众多学科研究人员关注的热点，制备掺杂石墨烯对深入研究其在纳米电子学领域的应用具有非常重要的意义。

石墨烯的掺杂最初由物理学研究人员提出。迄今为止，已建立了多种掺杂石墨烯的理论模型。理论研究结果表明，在石墨烯的片层中引入如N、B等杂原子，可以有效实现石墨烯从零带隙的半金属到半导体的转变，形成n-型或p-型掺杂的石墨烯，从而极大地拓展了石墨烯在光学、电学、磁学等领域的应用。

由于制备方法和实验条件的限制，石墨烯掺杂的具体技术方案一直未有公开。2009年，刘云圻研究小组首次报道了氮掺杂石墨烯的制备方法，并研究了氮掺杂对石墨烯电学性能的影响。作者通过化学气相沉积（CVD）方法，以甲烷气体作为碳源，氨气作为氮源，在硅基底表面沉积25 nm厚的铜膜作为催化剂，在800℃的高温下保持10分钟，制得了少数几层的氮掺杂石墨烯。至此，掺杂石墨烯的制备及性能研究逐渐成为人们关注的热点。许多课题组纷纷尝试各种方法制备掺杂石墨烯，目前现有技术的掺杂石墨烯主要是硼或氮掺杂，例如采用电热反应的方法，以氨气为氮源，将氮原子取代石墨烯晶格中的碳原子，制备氮掺杂的石墨烯；或者以氧化石墨烯为起始原料和氨气为氮源，进行高温退火，同时实现GO的还原和氮的掺杂，制得氮掺杂石墨烯。此外，还有使用电弧放电方法制备硼或氮掺杂石墨烯。而关于其它原子掺杂的石墨烯只停留在理论研究上，未见详细的技术方案的公开。所以，研究石墨烯的掺杂是一项有意义和富有挑战性的课题。

综上，现有技术的氮掺杂石墨烯的制备方法主要是气相沉积或者电弧放电方法。由于操作的专业性和苛刻的条件，此类方法和技术难以推广使用，例如使用高真空系统等专业设备，还需使用高危险性的氢气、腐蚀性的氨气、高毒性的硼烷等，其制备条件苛刻、成本高，危险性大、不适宜大规模的应用需求。

发明内容

为了解决目前氮掺杂石墨烯制备方法中使用高毒性和危险性化学试剂、制备难度大、成本高等问题，本发明的技术目的在于提出一种低成本、大规模生产氮掺杂石墨烯的新方法，使得该方法具备简便易行，且可以制备高氮掺杂比例的石墨烯的优点，且利用该方法所制备得到的产品可以广泛应用于电子器件、复合材料、传感、生物分析等领域的研究。

为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种氮掺杂石墨烯（NG）的制备方法，其特征在于：将原料氧化态石墨烯(GO)和三聚氰胺(Melamine)混合研磨后置于密闭惰性气体中加热以进行高温热还原和氮掺杂反应，最后在密闭惰性气体中降温至室温，即得氮掺杂石墨烯产品。

其中，本发明所述的制备方法可以包括原料氧化态石墨烯的制备方法，即将天然石墨粉经Hummers’法氧化处理后，再透析除去其中的金属离子或其它小分子，最后经真空干燥和研磨得到氧化态石墨烯原料。

本发明所述的制备方法还包括原料三聚氰胺的制备方法，即将化学纯三聚氰胺经重结晶处理，再真空干燥和研磨得到三聚氰胺原料。

本发明所述的密闭惰性气体中加热的方法是在管式炉中通入惰性气体加热。

本发明所述的惰性气体是氩气或氮气。

其中，所述的惰性气体的纯度为≥99%。

本发明所述的高温热还原和氮掺杂反应条件是：反应温度为700～1200℃，反应时间为0.5～4小时。

本发明所述的原料氧化态石墨烯和三聚氰胺的质量比为：1:50～2:1。

本发明的有益效果在于：

本发明可以根据对产品的性质的需要，改变原料质量比等实验条件，制备不同氮掺杂比例的石墨烯产物；利用氧化石墨烯和三聚氰胺经高温退火制备氮掺杂石墨烯，通过调控反应温度、时间和反应物的比例等条件，实现氧化石墨烯的有效还原和产物中氮掺杂比例的控制；

本发明所述的氮掺杂石墨烯是利用三聚氰胺为氮源，在高温条件下，氧化态石墨烯上含氧功能团分解的同时进行氮掺杂，该技术方案中除需一台管式炉外，不需要其它任何专用设备，所以制备方法简便易行，反应过程易于控制、危险性小、成本低、可批量生产，其制备技术极易推广使用。

附图说明

图1氮掺杂石墨烯(NG)的X射线衍射图谱。