[发明专利]一种硼、氮共掺杂石墨烯及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种硼、氮共掺杂的石墨烯，本发明同时也涉及硼、氮共掺杂的石墨烯的制备方法。

背景内容

由于存在广阔的应用前景，具有石墨结构的石墨烯片层材料正受到越来越多的研究关注。相比石墨和六方氮化硼材料，石墨烯三元系材料具有成分和结构可调的优势。这种三元系材料的性能很大程度上决定于硼和氮的掺杂浓度以及它们的结构。在石墨烯材料体系中，按照硼和氮在晶格中的相对位置，可将它们分为两类：即硼和氮处于邻位结合态的硼、氮共掺杂石墨烯，以及非邻位分离态的硼、氮共掺杂石墨烯。由于结构的不同，这两种材料在性能上存在较大差异。目前，石墨烯片层材料的制备主要采用化学气相沉积法。这种方法的缺点在于石墨烯材料在生长过程中硼原子和氮原子容易结合而形成硼、氮共掺杂石墨烯，不适于制备硼、氮共掺杂石墨烯材料，且难于实现批量化。为了控制石墨烯材料中硼和氮原子结构而形成非邻位石墨烯，一些研究小组发展了“两步掺杂法”来制备石墨烯材料。“两步掺杂法”的特点在于，先在母体石墨晶格中掺杂一种元素，然后再掺入另外一种元素。由于先掺入的元素被碳原子包围，难于同后续掺杂的元素结合，而形成石墨烯材料。为了寻找更为简便的制备石墨烯材料的方法，我们发展了一种“软模板”法来制备石墨烯纳米片层材料。这种制备方法的特点在于采用可聚合的含氮化合物（如尿素，腈胺，三聚氰胺等），同可碳化的化合物（如糖类，高聚醇类等）以及硼的前躯体（如硼酸、硼氧化物）均匀混合后，首先在较低的温度下使得含氮化合物聚合成层状化合物g-C₃N₄的“软模板”，同时碳的前驱体在它的层间碳化。在更高的温度下，g-C₃N₄软模板分解而形成片层的石墨结构。g-C₃N₄的分解产物可用于氮的掺杂，而硼酸则用于掺杂硼。通过调整高温处理条件，可分别制备硼、氮共处于结合态和分离态的石墨烯。

发明内容

为实现上述目的，本发明采用以下具体方式实现。

一种硼、氮共掺杂石墨烯，所述石墨烯为片层褶皱状结构，片层的层数在1-10层之间；硼掺杂量为1%-16.6%，氮掺杂量为1%-16.6%。

所述硼和氮处于石墨烯的分子晶格结构中；硼和氮处于不同的石墨烯六元环中，一个石墨烯六元环中存在一个硼或一个氮；或一个硼和一个氮处于同一石墨烯六元环中。

所述硼、氮共掺杂石墨烯的制备方法，包括以下制备步骤，

a）将碳、氮和硼的前驱体于溶剂中混合搅拌均匀，其中，前驱体中碳和氮的摩尔比为1:5-1:120；前驱体中碳和硼的摩尔比为1:0.01:-1：1；

b)将步骤a)所得混合物于60℃烘干后，在惰性气体保护下于450-650℃条件下保温0.5-24h；

c)将步骤b)所得产物，在惰性气体保护下进一步加热到700-1100℃并保温0.5-24h，冷却至室温后得到硼、氮共掺杂石墨烯。

步骤b)中所述保温温度较优为550-600℃；保温时间较优为2-4h；步骤c)中所述保温温度较优为800-1000℃；保温时间较优为2-4h。

当步骤a）中所述碳和氮的前驱体的摩尔比为1：5-1:120，碳和硼的前驱体的摩尔为1:0.01-1：0.25；步骤c)中所述惰性气体保护下的加热温度为950-1100℃，此时制得的石墨烯中，若一个硼和一个氮处于同一石墨烯六元环中时，硼和氮在分子结构中处于对位分离态。

当步骤a）中所述碳和氮的前驱体的摩尔比为1:5-1：120，碳和硼的前驱体的摩尔比为1:0.01-1：1；步骤c)中所述惰性气体保护下的加热温度为700-850℃，此时制得的石墨烯中，若一个硼和一个氮处于同一石墨烯六元环中时，硼和氮在分子结构中处于邻位结合态。

步骤a)中所述碳的前驱体为蔗糖、葡萄糖、聚乙二醇、纤维素中的一种或两种以上；所述氮的前驱体为尿素、腈胺、三聚氰胺中的一种或两种以上；所述硼的前驱体为硼酸或氧化硼或二者的混合物。

步骤a)中所述溶剂为乙醇或水或者两者的混合物。

步骤b)和步骤c)中所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或两种以上。

所述方法制备的述硼、氮处于对位的共掺杂石墨烯的应用，其可用于碱性环境中的氧还原电催化剂。

所述方法制备的述硼、氮处于邻位的共掺杂石墨烯的应用，其可用于介电材料。