[发明专利]一种易分散氮掺杂石墨烯粉末的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯材料制备，尤其涉及一种氮掺杂石墨烯的制备技术及所获得的 氮掺杂石墨烯粉末产品。

背景技术

石墨烯作为一种新型的二维材料，是由sp2杂化碳原子以蜂巢的结构形式组成的单层 碳原子层。这种独特的结构使石墨烯具有优异的物理和化学性质，比如高的电导率和热传 导率，大比表面积，高透明度，化学惰性和优异的机械强度，使其在使电子器件，柔性显 示器，太阳能电池，催化剂和储能材料等多种领域具有极大的应用价值。对石墨烯表面进 行氮原子掺杂不仅可以使石墨烯的能带结构发生调整，拓宽了石墨烯的应用范围，而且可 使其性能获得相应的提升。氮元素的掺杂会影响临近碳原子的电子分布，从而在石墨烯表 面构成活性位点，这种活性位点可作为催化位点参与到某些反应中，比如氧还原反应，这 使得其在燃料电池和锂空气电池领域具有极大的应用潜力；氮元素的掺杂可在石墨烯表面 形成较多的缺陷和悬挂键，有利于石墨烯表面的修饰及材料的复合。另外，应用于超级电 容器器件中，这些缺陷或悬挂键可产生赝电容，有利于材料能量密度的提升。因此，氮掺 杂石墨烯制备和应用研究已成为当前众多学科的研究热点。

当前氮掺杂石墨烯的合成方法有两类，一种是直接合成法，如CVD法，偏析生长法， 电弧等离子蒸发法等，这些方法均需要昂贵复杂的设备，生产成本高，产量低，不适合大 规模的生产。另一种是后处理法，主要是对氧化石墨烯或石墨烯进行后续的胺基化处理或 掺杂，如将石墨烯在氨气中煅烧，或在氨气中进行等离子处理，或使用联氨溶液浸泡处理 等，这些方法所得氮掺杂石墨烯往往单层石墨烯团聚严重，造成有效比表面积较低，或还 原程度低，电导率较低，影响氮掺杂石墨烯优异性能的发挥，尤其是应用于储能器件和电 催化领域。针对这一问题，本发明提出一种解决思路，即通过有机小分子的化学修饰反应 和后续的聚合固化反应将胺基固化于氧化石墨烯表面，可有效抑制单层氧化石墨烯在干燥 和还原过程中的所发生的团聚效应，从而可获得膨松、易于分散的氮掺杂石墨烯粉末。

发明内容

本发明公开一种高电导率、高比表面积的易分散氮掺杂石墨烯粉末的制备技术，解决 现有氮掺杂石墨烯电导率低、易团聚的问题，制备工艺和设备简单、成本低、易于工业化 生产，为氮掺杂石墨烯规模化制备和应用提供解决方案。

本发明提供的制备技术如下所述：

步骤1：将含胺基的有机小分子加入到氧化石墨烯溶液中并搅拌；

步骤2：将混合物升温至40～90℃，并加入聚合反应所需助剂，保温2～24h；

步骤3：待保温过程结束后过滤、烘干得到膨松的氮修饰的氧化石墨烯粉末前驱体；

步骤4：将步骤3所得粉末前驱体置于惰性气氛下升温至500～1500℃煅烧，并保温 1～5h，得到黑色或黑灰色的氮掺杂石墨烯粉末。

在本实施例中，步骤1中，步骤1中，所述含胺基的有机小分子为苯胺、吡咯、尿素、 缩二脲、乙二胺、氰胺、三聚氰胺、己二胺、咪唑中至少一种，优选的为吡咯、三聚氰胺 中的一种。

在本实施例中，步骤1中，步骤1中，所述含胺基的有机小分子与氧化石墨烯的质量 比为2∶1～6∶1，优选的为3∶1～4∶1。

在本实施例中，步骤1中，所述氧化石墨烯含氧量为20～60％wt，优选的为30～40％wt。

在本实施例中，步骤2中，所述聚合反应所需助剂包括过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸 钾、亚硫酸钾、亚硫酸氢钠、六亚甲基四胺、甲醛、乙醛、苯乙醛、呋喃甲醛、过氧化氢、 过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈中至少一种，优选的为呋喃甲醛，甲醛、六亚甲基四胺中 的一种。

在本实施例中，步骤2中，所述聚合反应所需助剂与氧化石墨烯的质量比为1∶1～4∶1， 优选的为1∶1～2∶1。

在本实施例中，步骤2中，所述聚合反应保温温度为40～90℃，优选的为70～80℃。

在本实施例中，步骤2中，所述聚合反应保温时间为2～24h，优选的为8～12h。

在本实施例中，步骤3中，所述烘干温度为60～100℃，优选的为60～80℃。

在本实施例中，步骤4中，所述惰性气氛为氮气、氩气、氮氢混合气、氩氢混合气中 至少一种。

在本实施例中，步骤4中，所述煅烧温度为500～1500℃，优选的为800～1000℃。