[发明专利]一种氮掺杂石墨烯及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种氮掺杂石墨烯及其制备方法和应用。所述制备方法包括如下步骤：(1)将石墨烯进行活化处理，得到活化石墨烯；(2)将步骤(1)得到的活化石墨烯、卤化剂和催化剂进行卤化反应，得到卤化石墨烯；(3)将步骤(2)得到的卤化石墨烯与氮置换剂进行反应，得到所述氮掺杂石墨烯。本发明提供的制备方法简单易行、工艺条件温和，且可有效控制氮掺杂石墨烯的碳氮键的键型，生成较多的吡啶氮，利于调节石墨烯的电子能带结构，同时可对氮掺杂量进行控制，适于规模化生产。本发明提供的氮掺杂石墨烯可用作锂离子电池的导电材料。

技术领域

本发明属于石墨烯技术领域，具体涉及一种氮掺杂石墨烯及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯是二维原子尺度、六角型的碳同素异形体，其中每个顶点有一个原子，是其他同素异形体(石墨、木炭、碳纳米管和富勒烯)的基本结构单元。石墨烯由碳六元环组成，具有二维周期蜂窝状点阵结构，这种独特的二维结构使其具有高的强度、良好的导电性、高的比表面、高的热传导率、高的弹性模量和极好的透光性等各种优异的物理化学性质，因此在储能、吸附、传感、催化等领域具有广泛的应用价值。

掺杂是调整半导体材料电子性能的一种常用方法，研究表明，对石墨烯进行掺杂改性处理，可以有效的调节其电子结构及表面特性，在碳骨架中引入富电子N原子，可以改变材料的能带结构，使材料的价带降低，增强材料的导电性及增加费米能级上的电子密度，扩大其应用范围。目前，常用的制备氮掺杂石墨烯方法有溶剂热法、化学气相沉积法、等离子体处理法以及热处理法。

化学气相沉积法(CVD)一般以一种金属催化剂作为基底，然后在高温条件下，引入碳源气体和含氮气体的混合物。CN102605339A公开了一种规则氮掺杂石墨烯及其制备方法。所述氮掺杂石墨烯是采用化学气相沉积法制备的，具体包括如下步骤：将金属催化剂置于反应器中，在非氧化性气氛中加热使所述催化剂升温至200～600℃，然后向所述反应器中通入碳氮源进行反应，得到氮掺杂石墨烯，该技术在制备氮掺杂石墨烯的制备过程中，所需温度较高，工艺条件较苛刻。

溶剂热法、热处理法和等离子体法是后处理的方法，一般是将氧化石墨烯或石墨烯与氮源(NH₃、三聚氰胺、尿素等)在一定条件下进行反应得到氮掺杂石墨烯。CN104925794A公开了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。该技术以氧化石墨烯为前驱体，加入造孔剂，经处理在氧化石墨烯前驱体表面产生纳米级的微孔，然后通过等离子体活化技术，使前驱体与碳源和氮源结合实现不同氮含量的多孔氮掺杂石墨烯的生长，在高温下得到三维立体结构。所述三维氮掺杂石墨烯的制备方法中，各个制备过程所需温度较高，且在高温条件下，氮掺杂石墨烯中的氮元素不稳定，氮掺杂石墨烯中氮含量较低。CN103840160A公开了氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法。该氮掺杂石墨烯复合材料的制备方法包括步骤：制备氧化石墨烯悬浮液；制备含氧化石墨烯的凝聚状溶液；制备氮掺杂的氧化石墨烯溶液；采用微波加热活化的方法，制备氮掺杂石墨烯复合材料。该制备方法虽然无需在高温下进行，但是采用微波加热的方法，不适于氮掺杂石墨烯的工业化、规模化生产。

因此，如何开发一种简单易行、工艺条件温和，适于规模化生产的氮掺杂石墨烯的制备方法，已成为目前亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种氮掺杂石墨烯及其制备方法和应用。该制备方法简单易行，工艺条件温和，且可对氮掺杂量进行控制，适用于规模化生产。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种氮掺杂石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

(1)将石墨烯进行活化处理，得到活化石墨烯；

(2)将步骤(1)得到的活化石墨烯、卤化剂和催化剂进行卤化反应，得到卤化石墨烯；

(3)将步骤(2)得到的卤化石墨烯与氮置换剂进行反应，得到所述氮掺杂石墨烯。