[发明专利]一种制备掺硼或硼氮石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料技术领域，涉及一种掺硼或硼氮石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构新型碳材料，具有优异的物理、化学及机械性能，被广泛应用在化学电源、光电子器件和多相催化等领域。

然而，由于石墨烯没有能带隙，使得其导电性不能像传统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。石墨烯掺硼或硼氮，可以打开能带隙并调整导电类型，改变石墨烯的电子结构，提高石墨烯的空穴载流子密度，从而提高石墨烯的稳定性。

目前有诸多研究集中在制备掺硼石墨烯的方法上，并在某些方面有相当的成就，常见制备掺硼石墨烯方法有：化学气相沉积、水热反应法。Wang等人（Small 2013,9,No.8,1316-1320）采用化学气相沉积法，以苯硼酸（C₆H₇BO₂）为前驱体成功制备出了单层掺硼石墨烯。Li等人（RSC.Adv.,2014,4,37992）采用水热反应，其躯体是氧化石墨烯和NaBH₄，实现了石墨烯的硼元素掺杂，并且与TiO₂复合，显著提高了TiO₂的光催化性能。Jung等人（Chem. Mater. 2014, 26, 3586?3591）采用改进的伍兹反应成功制备了掺硼石墨烯，该组采用CCl₄和BBr₃在单质钾的作用下生成了掺杂硼元素的石墨烯，并且可以用作太阳能电池的无金属阴极材料。但是这些方法对制备设备要求较高且操作复杂。

发明内容

为了解决现有掺硼和/或氮石墨烯制备设备要求较高、操作复杂的问题，本发明旨在提供一种掺硼或硼氮石墨烯的制备方法，将硼或硼氮元素掺杂进入石墨烯片层内，制得掺硼或硼氮石墨烯。该方法原料来源广、成本低、操作简单方便，对设备无特殊要求，易于批量化生产。

本发明的目的是通过以下两种技术方案实现的：

一种掺硼或硼氮石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

技术方案一：

（1）将称取好的镁粉、固体碳源、硼或硼氮源混合均匀，得混合粉体，所述混合粉体中镁粉、固体碳源与硼或硼氮源的质量比为19.95~99：40~79.95：1~39.5；

（2）将步骤（1）所得到的混合粉体在特定气氛下进行燃烧合成反应，经提纯后，得到掺硼或硼氮石墨烯，所述燃烧合成反应按以下步骤进行操作：

a、将混合粉体置于坩埚内，对于不易点燃的混合粉体，可在混合粉体上铺加点火剂，点火剂为Fe₃O₄+Mg、MnO₂+Mg、Fe₃O₄+Al或Cr₂O₃+Al；

    b、将坩埚放入放入耐压能力0.5~10MPa的通用的燃烧合成反应装置中，向燃烧合成反应装置内通入0.1~5MPa的特定气氛，所述特定气氛为二氧化碳、一氧化碳、氩气、氦气、氨气的一种或几种；

    c、采用局部电热点火或局部高频感应加热的方式，点燃混合粉体，进行燃烧合成反应，其中，局部电热点火是在螺旋状钨丝线圈上通以10~30A直流电流，加热局部反应物料引发燃烧合成反应；局部高频感应加热是采用高频感应线圈，加热局部反应物料引发燃烧合成反应；

    d、在反应过程中保持通入特定气氛，其通入速度为0~100m³/min；

e、待燃烧合成反应结束后，停止通入特定气氛，冷却至室温，取出燃烧合成反应产物。

技术方案二：

（1）将称取好的镁粉、硼或硼氮源混合均匀，得混合粉体，所述混合粉体中镁粉与硼或硼氮源的质量比为60.5~99：1~39.5；

（2）向步骤（1）所得到的混合粉体中通入气体碳源，进行燃烧合成反应，反应产物经提纯后，得到掺硼或硼氮石墨烯，所述燃烧合成反应按以下步骤进行操作：

    a、将混合粉体置于坩埚内，对于不易点燃的混合粉体，可在混合粉体上铺加点火剂，点火剂为Fe₃O₄+Mg、MnO₂+Mg、Fe₃O₄+Al或Cr₂O₃+Al；