[发明专利]一步制备掺氮石墨烯-金纳米粒子复合材料的溶剂热方法

说明书

技术领域

本发明涉及一步制备掺氮石墨烯-金（Au）纳米粒子复合材料的溶剂热方法，具体涉及一种以氧化石墨、尿素和氯金酸溶液为原料，采用溶剂热方法，利用乙二醇的还原性同时实现氧化石墨烯的还原、氮原子掺杂和金纳米粒子沉积，制备掺氮石墨烯-金纳米颗粒复合材料的简便、快捷新方法，属于材料合成化学领域。

背景技术

作为一种新型碳材料，石墨烯（Graphene）具有独特的二维平面结构和优异的电学、力学性能，广泛应用于物理、化学、医学、材料等领域。由于其独特的二维平面结构和较大的比表面积，石墨烯又是各种催化剂的理想载体，借此提高催化剂的效率和稳定性。因此，有关石墨烯类材料的研究已经成为物理、化学和材料科学等众多学科研究人员关注的焦点，而石墨烯类材料的制备是深入研究其在各领域的应用的先决条件，因此，研究石墨烯材料的制备方法具有重要理论价值和实际意义。

由于石墨烯的发现较晚，目前已报道的制备方法各有利弊，以致于很多学者都致力于探索高质量石墨烯的制备方法，以便系统地研究这种新型材料的性质与应用。然而到目前为止，石墨烯的制备依然没有取得根本性突破。除了最初的微机械剥离方法，众多科研工作者尤其是化学家一直致力于寻求大规模制备高质量石墨烯的方法。这些方法主要分为以下几类：①剥离石墨法，即以石墨为起始原料，采用不同剥离技术获得石墨烯；②直接生长法，通过引入碳源，在一定条件下合成石墨烯，如化学气相沉积法、外延生长法等；③氧化石墨还原法，以氧化石墨为原料，采用不同的还原条件制备石墨烯，如化学还原，热还原等；④溶剂热法。

为进一步拓展石墨烯的应用范围，研究人员还对石墨烯进行功能化，例如，化学共价修饰、材料复合、杂原子掺杂等。由于氮原子和碳原子尺寸相近，性质类似，被广泛用于掺杂碳材料。氮掺杂不仅可以改善其分散性能，而且可以调控其电子结构，实现更为广泛的应用。但是由于制备方法和实验条件的限制，石墨烯掺杂的具体技术方案一直未公开。直到2009年才首次报道了通过化学气相沉积（CVD）方法制备氮掺杂石墨烯，至此掺杂石墨烯的制备及性能研究逐渐为人们所关注。许多课题组纷纷尝试各种方法制备掺杂石墨烯，例如采用电热反应的方法，氨气为氮源，以氮原子取代石墨烯晶格中的碳原子，制备氮掺杂的石墨烯；或者以氧化石墨烯为起始原料，氨气（或三聚氰胺等含氮化合物）为氮源，进行高温退火反应制得氮掺杂石墨烯。此外，还有使用电弧放电方法制备氮掺杂石墨烯。所以，研究石墨烯的掺杂是一项有意义和富有挑战性的课题。

贵金属纳米颗粒具有良好的稳定性、低生物毒性、优良的催化活性，相比其他金属纳米材料研究更为广泛。例如，Au纳米粒子由于具有良好的稳定性、光学效应以及特殊的生物亲和效应，已被广泛应用于生物传感器、表面增强拉曼、光化学与电化学催化等领域。而且Au纳米粒子尺寸及形貌对其性能有显著影响。由于液相化学还原方法易于实现对贵金属纳米颗粒尺寸和形状的控制，为获取稳定、分散性好的贵金属纳米结构，于石墨烯表面负载贵金属纳米颗粒（主要包括金、银、铂、钯等)也多使用此法，由此获得尺寸均一、形状可控的石墨烯-贵金属纳米粒子复合材料。

石墨烯-金属纳米粒子复合材料最早是由化学研究人员研制，并用于超级电容器、生物传感和催化等领域。例如利用石墨烯规整的二维平面结构作催化剂载体，在石墨烯表面负载金（Au）、铂（Pt）、银（Ag）等贵金属纳米粒子，可以提高催化剂粒子的分散程度，加快电荷迁移速率，提高金属粒子的催化活性，且还可以有效减少贵金属的消耗，具有极大的经济价值。因此，人们对石墨烯负载贵金属纳米粒子进行了大量研究，已建立了多种制备石墨烯-金属纳米粒子复合材料的方法。并将其应用于多相催化、燃料电池、超级电容器、光催化、生物传感等领域。例如，在石墨烯表面负载Ag纳米颗粒，可以提高Ag的抗菌性能，以大肠杆菌为模型对纳米复合材料的抑菌性能进行测试，纳米银/石墨烯复合材料在100mg/L时可以完全抑制大肠杆菌的生长，是一种效果显著的新型抑菌材料。而使用石墨烯负载Pt纳米粒子，使石墨烯片层穿插于Pt纳米粒子之间，在抑制Pt的团聚、加快电子传递方面都具有显著优势，因而Pt/石墨烯复合材料具有很好的电催化性，Pt/石墨烯纳米复合材料在氢氧燃料电池中的电催化活性远高于单一的Pt催化剂，表明石墨烯是发展电催化的有效支撑材料。而目前掺氮石墨烯负载贵金属纳米颗粒的研究较少，合成中主要采用分步制备方法，即先制备掺氮石墨烯，再将贵金属纳米粒子负载在掺氮石墨烯表面。