[发明专利]离子液体制备碳包覆氮化碳和氮化石墨烯复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，具体涉及离子液体制备碳包覆氮化碳和氮化石墨烯复合材料的方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)由2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地从石墨中分离出来(Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films,K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,A.A.Firsov,Sceince,Vol.306,No.5696,666-669)，二人因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯具有很多优异的物理化学性质。比如高导电性、高电子迁移率、异常的整数量子霍尔效应、高导热系数、高机械性能和优异的光学性能。在导电薄膜、场效应管、集成电路、传感器、燃料电池催化、二次电池、摩擦等诸多方面具有很重要的应用前景。

石墨烯的制备方法有机械剥离法、气相沉积法、晶体外延生长法、高温还原法、微波法、电弧法、电化学法等。

由于石墨烯具有独特的物理化学性质和结构，在很多领域有着重要应用，通过掺杂改性提高石墨烯的电子能带结构，从而提高石墨烯的物理化学性能成为一个重要课题。

石墨烯的掺杂改性主要有硼(B)、氮(N)、氟(F)、磷(P)和硫(S)。掺杂改性过后的石墨烯在半导体材料和催化等方面具有很多明显的优异特性。

例如，合成的氮掺杂石墨烯可用作n型石墨烯场发射晶体管(Nitrogen-Doped Graphene Nanoplatelets from Simple Solution Edge-Functionalization for n-Type Field-Effect Transistors,Dong Wook Chang,Eun Kwang Lee,Eun Yeob Park,Hojeong Yu,Hyun-Jung Choi,In-Yup Jeon,Gyung-Joo Sohn,Dongbin Shin,Noejung Park,Joon Hak Oh,Liming Dai,and Jong-Beom Baek,J.Am.Chem.Soc.,2013,135,8981-8988)。氮掺杂石墨烯在电化学催化氧化还原上比未掺杂的石墨烯具有更好的电催化性能(Nitrogen-doped graphene and its electrochemical applications,Yuyan Shao,Sheng Zhang,a Mark H.Engelhard,a Guosheng Li,a Guocheng Shao,Yong Wang,Jun Liu,Ilhan A.Aksay and Yuehe Lin,J.Mater.Chem.,2010,20,7491–7496)。

制备氮掺杂石墨烯的主要方法有气相沉积法(Synthesis of N-Doped Graphene by Chemical Vapor Deposition and Its Electrical Properties，Dacheng Wei,Yunqi Liu,Yu Wang,Hongliang Zhang,Liping Huang and Gui Yu,Nano Lett.,2009,9(5),1752–1758)、电弧放电法(Review on Recent Progress in Nitrogen-Doped Graphene:Synthesis,Characterization,and Its Potential Applications,Haibo Wang,Thandavarayan Maiyalagan,and Xin Wang,ACS Catalysis,2012,2,781-794)、固相煅烧法(中国专利，申请公开号CN 102120572A)、微波照射法(微波辐照气相法合成氮掺杂石墨烯，王灿，王艳莉，詹亮，何星，杨俊和，乔文明，凌立成，无机材料学报，第27卷，第2期，146-150)、和水热法(中国专利，申请公开号CN 103145122A)等。

上述方法中，气相沉积法和电弧放电法对设备要求高，反应物为氨气，存在安全隐患；固相煅烧法目前氮源大都采用三聚氰胺；水热法容易引进其他杂质，分离较困难，产物纯度较低。

离子液体被称为“绿色溶剂”，含有丰富的碳、氮等元素，主要用于取代传统的有机溶剂在有机反应中充当反应介质和催化材料。