[发明专利]一种限域燃烧制备氮掺杂多孔石墨烯纳米材料的方法及应用

说明书

本发明公开了一种限域燃烧制备氮掺杂纳米多孔石墨烯的方法，是向氧化石墨烯水分散中依次加入苯丙氨酸和硝酸锌，超声分散使其混合均匀；抽滤，干燥后燃烧，所得产物依次用盐酸和水洗涤以除去金属氧化物，烘干，即得氮掺杂纳米多孔石墨烯。本发明以苯丙氨酸作为氮源，硝酸锌水滑层作为纳米孔模板，在石墨烯燃烧过程中蚀刻出纳米孔，利用水滑石的层间空间作为封闭的纳米反应器，将苯丙氨酸所含的氮原子掺杂进石墨烯晶格中。本发明将部分燃烧法与限域法相结合，提高了石墨烯的氮掺杂程度及平面氮的比例；通过调节硝酸锌及氨基酸的量可实现氮掺杂量的调控；通过真空抽滤得到氮掺杂纳米多孔石墨烯膜对稀土元素具有高的透过和分离能力。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂纳米多孔石墨烯的制备方法，尤其涉及一种限域燃烧制备氮掺杂多孔石墨烯纳米材料的方法，主要作为稀土离子的膜分离材料。

背景技术

稀土元素是包括镧系，钪和钇在内的17种元素。稀土元素由于其独特的性能而在光学，电气和磁性功能材料中具有巨大的应用潜力，因此被称为“工业味精。由于稀土元素在电子结构和化学性质上非常相似，并且常以伴生矿的形式存在，这使得其选择性分离和纯化是必要的，但在实际操作过程中又极其困难。现有的稀土分离技术涉及级联萃取，色谱分离和电解分离技术。但是，这些技术仍然面临操作复杂，程序繁多，能耗高和效率低的缺点。相反，无相变和添加剂的膜分离技术具有简单，低碳排放，易于操作和自动化的的特点，因此它已被广泛应用于海水脱盐，分离和纯化等领域。

氮掺杂纳米多孔石墨烯作为一种新型的膜材料，具有巨大的应用前景。其中，石墨烯表面纳米孔的存在显著缩短了离子的渗透路径，从而增强了离子的渗透性，同时氮原子的掺入增强了石墨烯的给电子趋势，从而增加了对离子的选择性，有利于稀土元素的选择性分离。众所周知，吡啶氮，吡咯氮和季氮是三种氮原子掺杂类型，其中具有平面结构的吡啶和吡咯的形式氮原子具有强的给电子能力，这对稀土元素的分离是极其有利的。现有的氮掺杂纳米多孔石墨烯的合成技术涉及两个独立的过程，一个是造孔，另一个是氮掺杂。因此，开发一种简单，快速，高效，通用，一步合成氮掺杂纳米多孔石墨烯的方法显得尤其重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一步限域燃烧制备氮掺杂纳米多孔石墨烯的方法；

本发明的另一目的是提供上述氮掺杂纳米多孔石墨烯作为膜材料在分离稀土元素中的应用。

一、氮掺杂纳米多孔石墨烯的制备

本发明以苯丙氨酸作为氮源，硝酸锌水滑层作为纳米孔模板，在石墨烯燃烧过程中蚀刻出纳米孔，利用水滑石的层间空间作为封闭的纳米反应器，将苯丙氨酸所含的氮原子掺杂进石墨烯晶格中，得到氮掺杂纳米多孔石墨烯。具体制备方法是：向氧化石墨烯水分散中依次加入苯丙氨酸和硝酸锌，超声分散使其混合均匀；抽滤，干燥后燃烧，所得产物依次用盐酸和水洗涤以除去金属氧化物，洗涤完全后将产物烘干，即得氮掺杂纳米多孔石墨烯。

所述氧化石墨烯水分散液的浓度为8~10g/L；所述氧化石墨烯水分散液中，苯丙氨酸浓度为5~15 g/L，硝酸锌浓度为200~500g/L。

所述清洗用的强酸为盐酸或硝酸，浓度为 0.1~1 mol/L，离心洗涤3~6次。

本发明的原理：先将苯丙氨酸吸附在氧化石墨烯表面，然后将带有纳米孔的硝酸锌水滑层覆盖在苯丙氨酸/氧化石墨烯表面，带有纳米孔的水滑石作为纳米模板在石墨烯燃烧过程中蚀刻出纳米孔，水滑石的层间空间（1nm）作为封闭的纳米反应器，将苯丙氨酸的氮原子掺杂到石墨烯晶格中，得到氮掺杂纳米多孔石墨烯。