[发明专利]一种以纳米孔石墨烯为基底生长三维氮掺杂石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种以纳米孔石墨烯为基底生长三维氮掺杂石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯由于其无与伦比的比表面积及导电性，引领了新一轮的碳纳米材料的研究热潮。但石墨烯片层在范德华力的作用下易于团聚，从而降低了其活性表面积和应用稳定性。多孔的三维石墨烯由于其特殊的空间结构，大大降低了石墨烯的团聚效应，从而保持了较高的催化活性表面积。理论研究表明，石墨烯经氮掺杂后能带结构会发生改变，从而可极大地拓展石墨烯在光学、电学和磁学等领域的应用。

授权专利201110371566.1，一种掺氮石墨烯的制备方法：将液体碳源和含氮有机物配制成混合溶液或悬浊液，并将所述混合溶液或悬浊液涂覆在金属衬底表面；在保护气体氛围下，将涂覆有混合溶液或悬浊液的金属衬底加热到750℃～1100℃，保持1min～300min，冷却后得到掺氮石墨；授权专利201210240521.5发明了一种利用等离子溅射制作掺氮石墨烯的方法。利用化学沉积方法在反应基底表层生长出单层或多层石墨烯薄膜，接着将生长完石墨烯的反应基底放入等离子体溅射装置并利用高压电离出的氮元素在真空环境中掺杂进入石墨烯结构，最后将反应基底腐蚀干净得到掺杂石墨烯。基于目前的研究，高性能三维纳米多孔氮掺杂石墨烯复合材料的可控制备仍是具有挑战性的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以纳米孔石墨烯为基底生长三维氮掺杂石墨烯的方法。为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种以纳米孔石墨烯为基底生长三维氮掺杂石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯和造孔剂加至分散剂中分散成分散液；

(2)将步骤(1)中制得的分散液置于保护气体氛围中，加热所述分散液，对氧化石墨烯进行碳化和造孔处理，得到多纳米孔的氧化石墨烯前驱体；保护气体流速为50-150L/h；碳化温度1500-2500℃，碳化时间30-60h，控制升温速率为5-10℃/min；

碳化作用是除去氧化石墨烯表面杂原子，使碳原子裸露出来，且有利于在其表面产生纳米级孔洞。利用造孔剂的气化在石墨烯表面得到更多的孔洞。

(3)将步骤(2)中的多纳米孔的氧化石墨烯前驱体置于等离子气流中活化，并在等离子气流活化过程中通入碳源和氮源。活化温度600-800℃，活化时间5-15min后停止供应等离子体；

活化前驱体使碳分子被激活，容易吸附碳源和氮源，生长出氮掺杂石墨烯。

(4)对步骤(3)制得的产物进行升降温处理：在活化温度下开始降温到80-120℃；再升温到180-200℃/min，保温20-30h后，冷却至室温后停止通入碳源和氮源，得到三维纳米多孔氮掺杂石墨烯，升降温速率均为10-20℃/min。

优选的，步骤(1)中，每100毫升分散剂中溶解氧化石墨烯100-500mg和造孔剂5-10mg。

优选的，所述造孔剂为磷化合物、硅化合物或硼化合物。这些物质在高温下具有挥发性。

优选的，步骤(1)中，所述分散剂为无水乙醇或去离子水。

优选的，步骤(2)中，所述保护气体为氮气或氩气。

优选的，步骤(2)中，保护气体的流速为100-150L/h。

进一步优选的，步骤(2)中，保护气体的流速为120L/h，并以10℃/min的速度升温，然后在2000℃下，对氧化石墨烯进行碳化处理50h。

优选的，步骤(3)中，所述等离子气流为氩气和氢气的等离子气流，氩气和氢气流速均为50-150L/h；碳源和氮源的浓度和为0.4-0.8mol/L，碳源和氮源的体积比为5:1-2。

进一步优选的，步骤(3)中，所述氩气流速为100-120L/h，氢气流速为100-120L/h。

优选的，步骤(3)中，所述碳源为苯蒸汽，所述氮源为氨气。

优选的，步骤(4)中，升降温速率均为15℃/min；降温到100℃/min后开始升温；保温温度为200℃/min，保温时间为25h。

本发明的原理是：

对氧化石墨烯进行碳化处理，可去除表面杂原子的同时使碳原子裸露出来，利用高温下造孔剂的气化来产生纳米级的孔径得到多纳米孔的氧化石墨烯；通过等离子体的活化激活裸露的碳原子并与通入的碳源和氮源反应，生长出多孔的氮掺杂石墨烯，并在高温下得到三维立体结构。

本发明的有益技术效果为：