[发明专利]介孔状石墨型氮化碳/氮掺杂石墨烯溶胶纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料及其制备技术领域，涉及一种纳米复合材料介孔状石墨型氮化碳/氮掺杂石墨烯溶胶纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子以六边形堆积的新型纳米材料，其具有很多优良的性能，诸如大比表面积、高热导率、快速电荷传递速率等，在材料化学、光电化学、催化剂等诸多领域应用广泛。为了进一步增强石墨烯的各种性能，除了从形态学上控制，掺杂外来原子也是增强石墨烯性能的一种重要方法。对石墨烯等碳基材料掺杂外来原子可以修饰内部结构，使其表面负载自由电荷密度增大，进而导电导热等性能得到增强。有研究表明，在葡萄糖生物传感器中，氮掺杂石墨烯（N-graphene）呈现出优越电子转移性能、高度的敏感性及选择性（文献ACSNano，2010，4，1790-1798）。在碱性或者酸性介质中经过氮掺杂的石墨烯还具有很强的氧还原催化活性，其用作燃料电池阴极氧还原反应的非金属催化剂的前景十分广阔（Nature,2009,323,760-764；Journal ofthe American Chemical Society，2010,132,15839-15841）。虽然，外来原子掺杂大大拓宽了石墨烯的应用领域，但是氮掺杂石墨烯仍存在氮活性位点缺失等不足，从而导致光电催化等性能不稳定。因此，有必要进一步对氮掺杂石墨烯进行改性，使其具有更加优异而稳定的化学性能。

另一方面，石墨型氮化碳（g-C₃N₄）是碳氮化合物中最稳定的同素异形体，在理论上是一种具有类石墨结构的层状物质。近些年，有关氮化碳物理和化学性质的研究逐渐引起了人们的广泛关注。g-C₃N₄已经被证明能够对一系列反应（比如光催化产氢、氧还原等）表现出良好的催化活性（文献Energy &E nvironmental Science,2012,5，6717-6731）。g-C₃N₄具有以上优异性能的原因可归功于其具有较高的氮元素含量以及大量的活性反应点。然而，g-C₃N₄也存在光电传导能力较差等不足。众所周知，孔隙率是影响材料物理化学性能的重要因素，介孔状材料通常拥有优异的性能。介孔状石墨型氮化碳（mpg-C₃N₄）恰好同时结合了氮化碳和介孔材料各自的优势，无疑具有诱人的应用前景。介孔状石墨型氮化碳的制备在文献中已有报道，因此，本发明中，介孔状石墨型氮化碳的制备采用文献报道的方法（文献Journal ofMaterials Chemistry，2011，21，13032-13039）。

鉴于氮掺杂石墨烯和介孔状石墨型氮化碳均具有优良的性能，可将两种材料复合在一起，形成一种非金属的无机复合材料，预期具有比两者单独更加优异的性能，可进一步扩宽其应用领域。但是，截止到目前，介孔状石墨型氮化碳/氮掺杂石墨烯纳米复合材料及其制备方法还未见公开报道。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种介孔状石墨型氮化碳/氮掺杂石墨烯溶胶纳米复合材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种介孔状石墨型氮化碳/氮掺杂石墨烯溶胶纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯和表面活性剂加入到去离子水中，超声混合均匀，得到胶状溶液；

（2）向步骤（1）得到的胶状溶液中加入mpg-C₃N₄（mpg-代表介孔状，mpg-C₃N₄代表介孔状氮化碳），继续超声处理，然后再加入含氮化合物，加盖恒温搅拌，形成混合溶液；

（3）将步骤（2）得到的混合溶液转入具有特氟龙内衬的不锈钢反应釜中进行水热反应，自然冷却，然后反复洗涤以去除吸附在材料表面的氨，干燥后即得到介孔状石墨型氮化碳/氮掺杂石墨烯溶胶纳米复合材料。

所述的步骤（1）中，所述的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠或十八烷基硫酸钠。

所述的步骤（1）中，超声混合时间为30～60min。

所述的步骤（1）中，所述的氧化石墨烯与表面活性剂的质量比为2:1～10:1，胶状溶液的浓度为（20～50）g/L。

所述的步骤（2）中，含氮化合物为氨水、尿素或吡啶。

所述的步骤（2）中，超声处理的时间为30～60min。