[发明专利]氮掺杂石墨烯/金属氧化物纳米复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米复合材料领域，具体涉及一种氮掺杂石墨烯/金属氧化物纳米复合材料的制备方法。

背景技术

二维结构的石墨烯具有高的热导性、良好的机械性能、优良的电子传导性能以及大的比表面积，在锂离子电池、超级电容器、光催化等领域有重要的应用价值。然而石墨烯单独存在时容易发生团聚，人们希望通过制备石墨烯/金属氧化物复合材料来克服石墨烯界面之间的团聚和解决金属氧化物低导电性和体积膨胀的问题。但是合成的石墨烯大部分具有不必要的官能团，而且由于石墨烯是一种二维敞开体系，金属氧化物很难紧密地固定在石墨烯片上，使得金属颗粒和石墨烯发生团聚或石墨烯不能有效地阻止金属颗粒的体积膨胀。

目前，人们通过氮掺杂改变石墨烯表面化学性质，创造拓扑缺陷，调节石墨烯的电子结构。因此，氮掺杂石墨烯/金属氧化物纳米复合材料可以改善材料本身在应用中的界面作用，增加复合材料之间的作用力。但是合成氮掺杂的方法一般都是电弧放电或化学气相沉积，这些方法的制备工艺复杂、成本高，污染大，难以大量制备。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种氮掺杂石墨烯/金属氧化物纳米复合材料的制备方法，该制备方法成本低廉、周期短、产量高且制备过程简单易操作，适合于大规模工业化生产。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

本发明所述的一种氮掺杂石墨烯/金属氧化物纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）称取石墨烯和阳离子为三价或四价金属的金属盐，加入到分散剂中，超声分散后得到混合液；

（2）在60～200℃下，将步骤（1）得到的混合液与氨气在气液界面反应3～12 h，冷却、经过离心分离、洗涤沉淀、干燥后得到粉体；

（3）通氨气或氨气与惰性气体的混合气，将粉体在600～900℃恒温2～6 h，降至室温，即得氮掺杂石墨烯/金属氧化物纳米复合材料。

步骤（1）所述金属盐优选金属的硝酸盐或氯化盐；三价金属盐如Fe(NO₃)₃·9H₂O或FeCl₃·6H₂O；四价金属盐如Ti(NO₃)₄或TiCl₄。

所述三价或四价金属优选Cr、Ti、Co、Sb、Bi、Pb、Sn、Fe或In。

所述阳离子为三价或四价金属的金属盐中的阳离子为三价或四价金属离子，优选Cr³⁺、Ti⁴⁺、Co³⁺、Sb³⁺、Bi³⁺、Pb⁴⁺、Sn⁴⁺、Fe⁴⁺或In³⁺。

所述的金属盐与石墨烯的质量比优选 (5～50) : 1。

所述步骤（1）得到的混合液与氨气在气液界面反应的一种优选方式是将步骤（1）得到的混合液倒入密闭容器中，与另外一个盛有浓氨水的密闭容器连通，挥发出来的氨气与混合液在气液界面反应。 

步骤（1）所述的分散剂优选乙醇、乙二醇或N, N-二甲基甲酰胺的一种或两种以上的混合物。

所述的金属氧化物优选Cr₂O₃、TiO₂、Co₂O₃、Sb₂O₃、Bi₂O₃、Pb₃O₄、SnO₂、Fe₃O₄或In₂O₃。

所述超声分散的时间为2～20 h。

所述氮掺杂石墨烯/金属氧化物纳米复合材料中氮元素占1～10 wt%；石墨烯占1～30 wt%。

 与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

（1）本发明方法工艺简单，设备投资少，周期较短，产量高，利于降低成本及大规模工业化生产；

（2）本发明方法可以制备的氮掺杂石墨烯/金属氧化物纳米复合材料的产率在90 %以上，应用范围广，可用于电化学、锂离子电池、光催化、生物传感器等方面；