[发明专利]一种氮掺杂石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳材料技术领域，特别涉及一种氮掺杂石墨烯及其制备方法。

背景技术

石墨烯是平面单层碳原子紧密结合在一起形成的二维蜂窝晶格材料。自2004年Geim小组首次制得单层石墨烯后，石墨烯以其独特的结构和优异的物理性能受到广泛关注。然而，由于石墨烯没有能带隙使得其电导性不能像传统的半导体一样完全被控制，而且石墨烯表面光滑且呈惰性不利于与其他材料的复合从而阻碍了石墨烯的应用。石墨烯掺氮可以打开能带隙并调整导电类型改变石墨烯的电子结构提高石墨烯的自由载流子密度从而提高石墨烯的导电性能和稳定性。目前石墨烯掺氮的主要方法有：化学气相沉积法、氨源热解、氮等离子放电法、电弧放电法、氨电热反应法和液相掺氮法等。目前这些方法存在如下缺点：化学气相沉积法、氨源热解法、氮等离子放电法、电弧放电法等存在氮掺杂量不高和多制备程序；液相掺氮法虽然氮掺杂量可达16.4％，但涉及到危险原料Li₃N，反应条件相对苛刻。

发明内容

为了弥补上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、可原位掺杂氮的氮掺杂石墨烯制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种氮掺杂石墨烯制备方法，包括：

将咪唑衍生物与无机碱的混合物在非氧化性气氛下加热至400-800℃，得到氮掺杂石墨烯与金属氧化物的混合物；

去除混合物中的金属氧化物，得到氮掺杂石墨烯；

其中，所述咪唑衍生物选自苯并咪唑、甲巯基苯并咪唑、巯基苯并咪唑、2-甲基咪唑、2-乙基咪唑、2-丁基咪唑、2-十一烷基咪唑、2-十七烷基咪唑、1-苄基-2-甲基咪唑中的一种或多种；

其中，所述无机碱选自锂、钠、钾、铷、铯、镁、钙、锶或钡的氢氧化物中的一种或多种。

本发明的有益效果在于：工艺简单、生产周期短、易于规模化生产，不含危险有毒原料，可原位掺杂氮，且根据所选氮源的不同，制得的氮掺杂石墨烯具有氮含量可调的特点，氮掺杂量可高达14％，可应用于锂离子电池、超级电容器、电催化等各个领域。

附图说明

图1所示为本发明实施例1制备的氮掺杂石墨烯的扫描电镜图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明最关键的构思在于：通过在非氧化性气氛中加热咪唑衍生物和无机碱的混合物，利用咪唑衍生物热解产生活性碳和氮原子及碱催化促进碳二维方向生长的理念，来制备得到氮掺杂石墨烯，该方法工艺简单，生产周期短、易于规模化生产，不含危险有毒原料，可原位掺杂氮，且根据所选氮源的不同，制得的氮掺杂石墨烯具有氮含量可调的特点，氮掺杂量普遍可达到14％(重量比)，可应用于锂离子电池、超级电容器、电催化等各个领域。

本发明提供的氮掺杂石墨烯制备方法，包括：

将咪唑衍生物与无机碱的混合物在非氧化性气氛下加热至400-800℃，得到氮掺杂石墨烯与金属氧化物的混合物；

去除混合物中的金属氧化物，得到氮掺杂石墨烯；

其中，所述氮源选自苯并咪唑、甲巯基苯并咪唑、巯基苯并咪唑、2-甲基咪唑、2-乙基咪唑、2-丁基咪唑、2-十一烷基咪唑、2-十七烷基咪唑、1-苄基-2-甲基咪唑中的一种或多种；

其中，所述无机碱选自锂、钠、钾、铷、铯、镁、钙、锶或钡的氢氧化物中的一种或多种。

本发明制备氮掺杂石墨烯的机理如下：

在含咪唑衍生物和无机碱的混合体系中，咪唑衍生物作为碳和氮源在高温非氧化性气氛中，经过热解产生活性的氮原子和碳原子，碳原子在碱性金属氧化物表面成核重排，重排依氧化物表面模板呈现二维方向的生长，且连续性好，从而得到石墨烯。与此同时，产生的活性氮原子原位掺杂石墨烯的生长。金属氢氧化物具有溶解于酸的特点，因此混合物经酸洗处理后，即可得到纯的石墨烯。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：

由于本发明仅需通过在非氧化性气氛中加热咪唑衍生物与无机碱，即可制备得到氮掺杂石墨烯与金属氧化物的混合物，后续可通过酸洗等常规除杂工艺即可去除混合物中的金属氧化物来得到纯度较高的氮掺杂石墨烯，因此相比现有技术而言，本发明具有工艺简单、生产周期短、易于规模化生产，不含危险有毒原料，可原位掺杂氮，且根据所选氮源的不同，制得的氮掺杂石墨烯具有氮含量可调的特点，氮掺杂量普遍可达到14％，可应用于锂离子电池、超级电容器、电催化等各个领域。