[发明专利]一种钴修饰氮掺杂石墨烯纳米带的制备方法

说明书

本发明属于纳米功能材料的制备技术领域，特别涉及一种钴修饰氮掺杂石墨烯纳米带的制备方法，采用以下步骤：首先将钴盐溶解在去离子水中，再加入双氰胺，加热搅拌至双氰胺溶解，并一直持续至水分蒸发后得到胶状前驱体；对前驱体进行热处理得到钴填充氮掺杂多壁碳纳米管；将此钴填充氮掺杂多壁碳纳米管浸泡在氢氧化钾溶液中进行开壁，开壁结束后进行抽滤，并用去离子水清洗，最后烘干即可得到钴修饰氮掺杂石墨烯纳米带。本发明利用低温开壁法制备出钴修饰氮掺杂石墨烯纳米带，与现有利用强酸或是强氧化物来制备石墨烯纳米带的技术相比，这种方法成本较低，并且制备过程对设备要求低、环保、安全、易于操作，有利于实现工业化大规模生产。

技术领域

本发明属于纳米功能材料的制备技术领域，特别地涉及一种钴修饰氮掺杂石墨烯纳米带的制备方法和应用。

背景技术

石墨烯纳米带是一种新型的碳纳米材料，其既可以看作条带状的石墨烯也可看作开壁铺展开的碳纳米管，是连接二者的桥梁。石墨烯纳米带因其结构上的特点具有一系列特殊的性质。比如边缘碳原子的排布方式和纳米带尺寸可以决定其电化学性质，理论计算和实验都证实当纳米带宽度小于10 nm时，其表现为半导体性。另外，石墨烯纳米具有丰富的边缘活性位，所以在催化剂的负载，官能团的嫁接和元素吸附上面比较有优势。

文献“Dmitry V. Kosynkin，B. Katherine Price James M. Tour；Nature，2009，458：872-877”和文献“Ayrat M. Dimiev，Ksenia Shukhina James M. Tour；ACSNano，2018，12(4)，3985-3993”均报道使用常用的Hummers法，即使用高锰酸钾氧化纵向切割开壁来制备石墨烯纳米带，溶液使用的是多壁碳纳米管的硫酸悬浮液，这类方法的危险性较高，且对大规模生产尤其是仪器设备的要求较高，较难实现工业生产；文献“PachfuleP.，Shinde D.，Majumder M；Nature . Chemistry., 2016,8:718-724”报道使用氢氧化钾活化有机金属骨架衍生碳纳米棒来制备石墨烯纳米带，但是此种方法剥离时需要在800℃下进行热处理才可以实现，无法在较低温度下实现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种钴修饰氮掺杂石墨烯纳米带的制备方法，采用一种简单热解生长的钴填充氮掺杂多壁碳纳米管来进行开壁处理，制备出钴修饰氮掺杂石墨烯纳米带，降低石墨烯纳米带的制备难度。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钴修饰氮掺杂石墨烯纳米带的制备方法，采用以下步骤：

（1）将钴盐溶解在去离子水中，然后加入双氰胺，加热搅拌至双氰胺溶解，并一直持续至水分蒸发后得到胶状前驱体；

（2）将步骤（1）制备的胶状前驱体进行热处理，得到钴填充氮掺杂多壁碳纳米管；

（3）将步骤（2）制备的钴填充氮掺杂多壁碳纳米管浸泡在氢氧化钾溶液中进行开壁得混合物；

（4）将步骤（3）的混合物进行抽滤，并用去离子水清洗，烘干后得到钴修饰氮掺杂石墨烯纳米带。

优选地，步骤（1）中加入的钴盐为四水合乙酸钴、六水合氯化钴、六水合硝酸钴或七水合硫酸钴；步骤（1）所述的钴盐和双氰胺的质量比为1：(1 ~ 10)。

优选地，步骤（1）所述的加热的温度为60 ℃ ~ 100 ℃，搅拌速率为400 rpm/min。

优选地，步骤（2）中所述的热处理在氮气或氩气的保护下进行；热处理温度为700℃ ~ 1000 ℃，热处理时间为0.5 h ~ 2 h；热处理的升温速率为3 ℃/min ~ 10 ℃/min。

优选地，步骤（3）中所述的浸泡在氢氧化钾溶液中的温度为30 ℃ ~ 150 ℃，开壁时间为2 h ~ 12 h。