[发明专利]一种微波快速制备掺氮碳材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳材料掺氮的制备方法。碳材料掺氮可以优化碳材料的性能，可以适用于催化剂材料领域，特别是燃料电池催化剂载体。

技术背景

碳材料具有高比强度、高比模量、耐热、耐化学腐蚀、耐摩擦、导电、导热、抗辐射、良好的阻尼、减震、降噪等一系列综合性能，广泛应用于航空航天、国防军事等尖端领域以及高级体育用品、医疗器械、机械、交通等民用领域。其中，新型纳米碳材料，如石墨烯、C₆₀、碳纳米管，由于比表面积大、导电性好、机械强度高，在储氢、超级电容器、催化剂等方面有广阔的应用前景。

然而一个不容忽视的问题就是碳材料本身总含有大量的缺陷，这严重影响了碳材料的综合性能，限制了其进一步应用。碳材料的性能与其结晶度、宏微观结构和表面特性等方面有很大的关系，通过高温掺氮方法可以有效减少碳材料自身缺陷，提高其稳定性和导电性能。碳材料在高温下容易发生氧化，掺氮后的碳材料缺陷会显著减少，极大提高了其热稳定性能。碳材料掺氮后也能改善本身的电子特性：氮比碳外层多一个电子，能提高碳材料的导电性；能让碳材料表面呈现电负性，有利于纳米粒子的吸附。这些特性促进了碳材料在储氢、超级电容器、催化剂等领域的进一步广泛应用。

迄今为止，科学家们探索了多种碳材料掺氮的方法，如氨气退火法 (L.S. Zhang et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 12 (2010) 12055-12059),水热法 (D.H. Long et al., Langmuir (26) 2010 16096-16102)，化学气相沉积法 (M. Terrones et al. Appl. Phys. Lett. 5 (1999) 3932-3934)，有机化学掺杂法(Y. Wang et al. AcsNano. 4 (2010) 1790-1798),电弧放电法 (N. Li et al., Carbon 48 (2010) 255-259)，超声共振法 (D.W. Wang, Chem. Commun. 12 (2010) 1423-1427) 等方法。然而，这些方法都存在不足：氨气退火法生产周期长，通常需要加热几小时甚至十几个小时，耗费能量大；水热法产率低，水热斧中空间有限，不利于工业化生产，且反应时间长；化学气相沉积法与电弧放电法对设备要求高，操作复杂，成本高且不利于大规模生产；有机化学掺杂法需要先把碳源与有机氮源均匀混合，然后高温掺杂，流程比较繁琐，生产周期长；超声共振法掺氮效率低，氮源为水合肼，毒性高。因此，探寻一种简单、高效、低成本的碳材料掺氮方式，提高碳材料的稳定性与导电性，为充分利用碳材料奠定了基础。 

发明内容

    本发明针对上述现有技术中的不足，提供了一种工艺简单、成本低廉、快速高效的碳材料掺氮的方法。

本发明通过以下方式实现。

一种掺氮碳材料的制备方法，其特征包括以下步骤：

1、在微波炉中放入有气体回路的密封容器，将碳材料均匀铺在密封容器中，通入高纯氨气，氨气排走容器中的空气，碳材料处于氨气氛围中，同时也避免高温下碳材料与空气接触发生燃料反应；

2、持续通入氨气，启动微波炉，碳材料吸收微波迅速升温，在高温下与氨气发生反应，实现氮的掺杂；

3、待碳材料自然冷却，关闭氨气，搅拌碳材料让其混合均匀，再次通入氨气后，启动微波炉，如此反复多次，得到掺氮碳材料。

上述的掺氮碳材料的制备方法，所述的碳材料是石墨烯、石墨或炭黑。

本发明的掺氮碳材料制备方法的特点是设备、操作简单，反应快速。与已有的方法相比，微波法掺氮具有如下优势：(1) 碳材料自身能吸收微波，加热速度快，短时间内温度可达到500℃ 以上；(2) 掺杂速度快，生产周期短，整个过程只需几分钟；(3) 掺氮碳材料含氮量高；(4) 工艺过程简单，操作方便，反应时间可以根据实际需要灵活调控，可实现工业化生产。

附图说明

图1为微波法掺氮前后石墨烯的XPS图。掺氮反应之前，石墨烯完全没有氮峰；石墨烯微波掺杂之后，在500 eV附近出现明显的氮峰，说明氮已经掺进了石墨烯。

图2为掺氮石墨烯载铂与石墨烯载铂的甲醇氧化循环伏安曲线。

图3为掺氮石墨烯载铂与石墨烯载铂的热重曲线。

具体实施方式

    下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1：掺氮石墨烯的制备