[发明专利]利用氟化石墨烯制备高含量氮掺杂石墨烯的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种利用氟化石墨烯制备高含量氮掺杂石墨烯的方法和装置。尤其是能实现高含量的氮掺杂石墨烯。

二、背景技术

自从氮掺杂石墨烯被发现以来，由于其具有独特的电子、光电子特性，氮掺杂石墨烯已被广泛用于生物成像、发光及光电方面，被广泛用于太阳能电池、锂电池、超级电容等许多领域。特别是蓝色至红外的荧光材料在光发射、生物荧光标定、有机发光二极管及固态光电器件方面存在巨大的潜在应用。本申请人研究组不久前已经报道了氮掺杂石墨烯中随着氮含量的增多，其带隙会变宽，同时所引入的局域磁矩也会增多。[1,2]

目前报道的氮掺杂石墨烯或氧化石墨烯通常采用气相沉积法，其原材料通常为还原的氧化石墨烯或者氧化石墨烯。[3]本申请人研究组不久前已经报道了氮掺还原氧化石墨烯和氧化石墨烯的方法。本发明方法是这种方法的有力补充，氮掺杂石墨烯的氮含量高；且反应后氧含量少，纯度较高，所得氮掺杂石墨烯结构相比高温反应所得样品结构更完整，将能扩大氮掺杂石墨烯在光电材料以及自旋输运方面的应用。本申请的利用氟化石墨烯制备高含量氮掺杂石墨烯的方法是氮掺石墨烯研究的重大发现。

参考文献

1.Liu,Y.,Feng,Q.,Tang,N.J.,Wan,X.G.,Liu,F.C.,Lv,L.Y.&Du,Y.W.Increased magnetization of reduced graphene oxide by nitrogen-doping.Carbon60,549-551(2013).

2.Liu,Y.,Feng,Q.,Xu,Q.H.,Li,M.,Tang,N.J.&Du,Y.W.Synthesis and photoluminescence of F and N co-doped reduced graphene oxide.Carbon61,436-440(2013).

3.Liu,Y.,Tang,N.,Wan,X.,Feng,Q.,Li,M.,Xu,Q.,Liu,F.&Du,Y.Realization of ferromagnetic graphene oxide with high magnetization by doping graphene oxide with nitrogen.Sci.Rep.3,2566(2013).

三、发明内容

本发明的目的在于，提出一种更简易、更快捷和更有效的氮掺杂石墨烯的制备方法。本发明通过以氟化石墨烯为原材料，氨气为氮源、以管式炉作为反应室在500℃下反应制备氮掺杂石墨烯。与传统方法相比，氮掺杂石墨烯的氮含量高；且反应后氧含量少，纯度较高。

本发明的技术方案是：利用氟化石墨烯制备高含量氮掺杂石墨烯的方法，其特征是以氟化石墨烯为原材料，以氨气为氮源，将氟化石墨烯放在管式炉中，通以氨气并加热至500±50℃下恒温反应2-7小时，自然冷却至室温。对于3－5升的管式炉，本发明氨气流量保持20sccm可得到最佳效果。

氟化石墨烯制备：以氟化石墨为原材料，利用乙二醇液相剥离氟化石墨制得氟化石墨烯。以乙二醇为溶剂，把氟化石墨放入100倍以上重量的乙二醇中，利超声振荡6－15小时，再利用高速离心机在5000转每分钟以上转速下离心2－15分钟，取上层清液烘干制得氟化石墨烯样品。

用此中间体优于现有技术报导的合成氟化石墨烯的方法是采用二氟化氙等氟化剂对石墨烯氟化而成。

进一步的，100mg氟化石墨放入400ml乙二醇中，利用160瓦功率的超声震洗机超声9小时，利用高速离心机在5000转每分钟的转速下离心5分钟，取上层清液烘干制得氟化石墨烯样品。

用本发明制备的氮掺杂石墨烯产品通过以下手段进行结构和性能表征：利用美国Veeco公司生产的Dimension V原子力显微镜(AFM)直接观察产品的形状和厚度；采用x射线电子能谱仪分析样品的氮掺杂情况。

本发明的有益效果是：目前以氟化石墨烯作为原材料、以管式炉为反应室在500℃左右以较高的氨气流量下制备高含量氮掺杂石墨烯（并具有低氧含量）的方法和装置从未见报道。而不在这个温度范围则高含量氮难获得；用本发明的方法制备的氮掺杂石墨烯，氮含量较高，其氮原子个数百分含量达到13.90%；而氧含量较低，其原子个数百分含量仅为6.56%。

四、附图说明

图1是实例中氟化石墨烯的原子力显微镜观测结果，从图中可见产品具有相对平整的二维膜状结构。其厚度分布大多小于5nm，平均厚度为2.92nm。