[发明专利]氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种选择性氧化催化剂及其制备方法和应用，具体涉及一种氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

氮掺杂石墨烯是一种新兴的可替代贵金属催化剂的高效选择性氧化催化剂。在实验室中得到的氮掺杂石墨烯，其催化效率与已大规模使用的贵金属催化剂几乎相当。出于环境保护和降低成本的考虑，氮掺杂石墨烯的制备方法通常采用以下两种：一种是首先制备石墨烯，然后通过表面活化和化学反应将氮元素掺入石墨烯；另一种是在制备过程中，通过在原料中加入含有氮元素的物质，直接制备得到含有氮元素的石墨烯。上述方法制备得到的催化剂虽然在实验室中可以选择性催化一系列化学反应，但这些氮掺杂石墨烯存在催化反应易团聚沉降的缺点。氮掺杂石墨烯仅有一层或数层碳原子厚度，拥有巨大的比表面积，在溶液中易于堆叠、团聚沉降，降低比表面积，导致催化效率大幅下降。另外，在催化反应结束后，需要将催化剂与反应液分离，在分离的过程中，对催化剂的浓缩和堆叠将是不可避免的，这对氮掺杂石墨烯的循环使用造成了障碍。因此，氮掺杂石墨烯在实际应用中仍然存在分散和循环使用方面的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种抗团聚、耐腐蚀、高催化活性、可多次循环使用的氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料，所述氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料包括碳化硅微球和直立生长于碳化硅微球表面的氮掺杂石墨烯。

上述的氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料中，优选的，所述碳化硅微球为实心结构，所述碳化硅微球的直径为0.5μm～1.0μm；所述氮掺杂石墨烯的长度为0.1μm～0.3μm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）以石墨片或硅片为生长基底，将液态聚硅烷在惰性气氛中进行高温裂解，得到负载石墨烯的碳化硅微球；

（2）将负载石墨烯的碳化硅微球进行强氧化性酸活化和水合肼还原，然后在惰性气氛中于高温下进行保温，得到氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述高温裂解的温度为1300℃～1400℃。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤（2）的具体操作过程为：将负载石墨烯的碳化硅微球加入强氧化性酸中进行活化处理，经超声、搅拌、离心、洗涤至中性，得到负载活化石墨烯的碳化硅微球；向所述负载活化石墨烯的碳化硅微球中加入水合肼进行还原处理，然后进行超声、离心、洗涤和烘干处理，所得产物在惰性气氛中于900℃～950℃下保温2h～3h，得到氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料。

上述的制备方法中，优选的，所述负载石墨烯的碳化硅微球与所述强氧化性酸的质量体积比为10mg～20mg∶1mL～2mL，所述强氧化性酸包括浓硫酸与浓硝酸的混合酸或者浓硝酸，所述混合酸中浓硫酸与浓硝酸的质量比为1∶1；所述负载活化石墨烯的碳化硅微球与所述水合肼的质量体积比为10mg～20mg∶1mL～2mL。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

以石墨片或硅片为生长基底，将液态聚硅烷与液态含氮碳氢化合物的混合物在惰性气氛中进行高温裂解，得到氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料。

上述的制备方法中，优选的，所述液态聚硅烷与所述液态含氮碳氢化合物的质量比为100∶3～30；所述液态含氮碳氢化合物包括乙腈或丙腈；所述高温裂解的温度为1300℃～1400℃。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料或上述制备方法制得的氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料在催化反应中的应用，包括以下步骤：

（1）向氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料中加入FeCl₃与FeCl₂的混合溶液和氨水进行磁化，经超声分散和磁性分离后，得到磁化的氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料；

（2）将去离子水（即反应媒介）、叔丁基过氧化氢（即氧化剂）和还原剂（即待氧化原料）依次加入到磁化的氮掺杂石墨烯/碳化硅微球纳米复合材料中，密封进行选择性氧化催化反应，完成处理。