专利名称：石墨烯氮原子替位掺杂方法及制备的石墨烯和该方法在提高石墨烯质量比电容中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石墨烯氮掺杂的方法及其应用。
背景技术：
石墨烯,英文名Graphene,是碳原子按照六角排列而成的二维晶格结构。自2004 年被曼彻斯特大学的科学家发现之后，就成为科学界和工业界关注的焦点。由于石墨烯特殊原子结构，其中载流子(电子和空穴)的行为必须用相对论量子力学才能描绘。同时，作为单层碳原子结构，石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g。如此高的比表面积和其特殊的原子结构特性使得石墨烯成为超级电容器最理想的电极材料。
目前，氮掺杂石墨烯是为了提高石墨烯的还原程度，增大石墨烯材料的导电性能， 主要应用于生物传感器、场发射晶体管领域。在如何开发一种能有效提高石墨烯比电容的领域内，科学家们常采用氮掺杂的方法来调节石墨烯的电子结构。这主要是因为氮原子具有与碳原子相似的原子大小，并且N提供电子可以提高石墨烯材料的载流子密度，进而增大其比电容。传统的制备氮掺杂石墨烯的方法主要有化学气相沉积和电弧放电的方法，化学气相沉积法在制备石墨烯的过程中，同时通入氨气进行氮掺杂，最高含氮量为5%，但无法做到SP2杂化，与石墨烯不能处于同一平面，所得氮掺杂石墨烯失去了平面结构，且掺杂氮不稳定，极易失去；电弧放电法在制备石墨烯的过程中，通入吡啶或者氨气等含氮化合物，制备氣惨杂石墨稀材料，最闻含氣量为1%，且极易失去。这两种方法制备的氣惨杂石墨烯中氮含量不易控制、反应过程复杂、反应条件苛刻、产率低。
因此，为了满足不同领域的需求，开发出一种对环境污染小，过程简单，比表面积大、氮含量稳定、产率较高的掺杂技术是本领域需要解决的一个问题。发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种含氮量高、比表面积大、 比电容高的氮原子替位掺杂的石墨烯材料；本发明的另一目的是提供一种过程简单，氮含量稳定、环保且产率高的氮原子替位掺杂的石墨烯制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现一种石墨烯氮原子替位掺杂的方法，在对石墨烯活化处理的同时进行高温还原反应， 一步完成石墨烯的氮原子替位掺杂，具体操作如下a.前处理将氧化石墨烯与活化剂混合，充分搅拌，干燥；b.活化同时还原将氧化石墨烯与活化剂的混合物放入高温反应炉中，抽去炉内空气后，向高温反应炉内通入惰性气体进行保护，升温至500-1500°C，然后通入含氮反应气体， 恒温反应Imin以上；c.后处理高温还原反应结束后，在惰性气体保护下降至室温，洗涤、干燥，得到氮原子替位掺杂的石墨烯。
所述氧化石墨烯为石墨经氧化后进行剥离的产物。所述氧化方式采用Hmnmers 法、Staudenmaier法或Brodie法中的任意一种；所述剥离方式采用微波剥离、热解膨胀剥离、超声分散中的任意一种。
所述活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸、氯化锌中的一种或多种的组合，优选为氢氧化钾，最优为O. 6-1. 4g/l的氢氧化钾溶液。
所述惰性气体选自氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气中的一种或多种的组合，优选为氮气或氩气，最优为纯度是99. 999%的氮气或纯度是99. 99%的氩气；通入惰性气体的流量为 80-200m3/min,优选 150cm3/min。
所述含氮反应气体为氨气，通入含氮反应气体的流量为20-100cmVmin，优选 50cm3/mino
所述活化同时还原过程中高温还原反应的温度为700-1000°C，优选800°C;反应时间为 5_20min,优选 IOmin0
所述高温反应炉采用真空管式炉或煅烧炉。
一种氮原子替位掺杂的石墨烯材料，为单层平面结构，其氮含量为O.lwt%-21. 5wt%，且含氮量稳定，其比表面积彡2000m2/g，以IM TEABF4/PC作为电解液其质量比电容200F/g-300 F/g，以6M KOH作为电解液其质量比电容为200F/g_400 F/g。
上述氮原子替位掺杂的石墨烯材料，优选为，其氮含量为6wt%_9wt%，且含氮量稳定，其比表面积为2100-3000m2/g。
作为上述氮原子替位掺杂的石墨烯材料的优选方案，利用上述石墨烯氮原子替位掺杂的方法制得。
一种提高石墨烯材料质量比电容的方法，在保持石墨烯高比表面积和单层结构的情况下，通过氮原子在石墨烯体内进行替位掺杂，改变石墨烯的电子能带结构，增加电子态密度和载流子浓度，具体步骤为在对石墨烯活化处理的同时进行高温还原反应，一步完成石墨烯的氮原子替位掺杂， 具体操作如下a.前处理将氧化石墨烯与活化剂混合，充分搅拌，干燥；b.活化同时还原将氧化石墨烯与活化剂的混合物放入高温反应炉中，抽去炉内空气后，向高温反应炉内通入惰性气体进行保护，升温至500-1500°C，然后通入含氮反应气体， 恒温反应Imin以上；c.后处理高温还原反应结束后，在惰性气体保护下降至室温，洗涤、干燥，得到氮原子替位掺杂的石墨烯。
本发明所述的氮原子替位掺杂的石墨烯可用于超级电容，锂离子电池或燃料电池。
本发明所得氮原子替位掺杂的石墨烯的性能可参见附图中的图谱及照片，分析如下I、
图1、2分别是C和N的能谱图，从图I可以看出C峰较窄且处于sp2常见的284. 5eV 附近，说明其中其他形式的碳(例如sp3杂化的碳)含量较少，氮掺杂后的石墨烯仍为单层结构存在。图2的N峰在398. 2eV和399. 3 eV附近有两个峰，说明N的形式主要是吡啶型(N-6)和吡咯型(N-5)。
2、由附图3可以看出，本发明所制备的石墨烯具有明显的褶皱和孔洞，保证了所制备石墨烯材料具有较大的比表面积和高的孔隙率，而且并没有改变石墨烯的基本结构。
3、由图4、5可以看出本发明所制备石墨烯用于超级电容器电极材料，在水系和有机系电解液中保持较好的矩形，均无氧化还原峰，说明制备过程中没有引入其他官能团。
本发明的原理石墨烯是零带隙半导体，具备独特的载流子特性和优异的电学质量。其电子和蜂窝状晶体结构周期势的相互作用产生了一种准粒子，即零质量的狄拉克-费米子，具有类似于光子的特性。石墨烯的电子特性可以用传统的紧束缚模型来描述，在这个模型中，电子能量与波数可以用
权利要求
1.ー种石墨烯氮原子替位掺杂的方法，其特征在于在对石墨烯活化处理的同时进行高温还原反应，一歩完成石墨烯的氮原子替位掺杂，具体操作如下 a.前处理将氧化石墨烯与活化剂混合，充分搅拌，干燥； b.活化同时还原将氧化石墨烯与活化剂的混合物放入高温反应炉中，抽去炉内空气后，向高温反应炉内通入惰性气体进行保护，升温至500-1500°C，然后通入含氮反应气体，恒温反应Imin以上； c.后处理高温还原反应结束后，在惰性气体保护下降至室温，洗涤、干燥，得到氮原子替位掺杂的石墨烯。
2.根据权利要求I所述的石墨烯氮原子替位掺杂的方法，其特征在于所述氧化石墨烯为石墨经氧化后进行剥离的产物。
3.根据权利要求2所述的石墨烯氮原子替位掺杂的方法，其特征在于所述氧化方式采用Hummers法、Staudenmaier法或Brodie法中的任意ー种；所述剥离方式采用微波剥离、热解膨胀剥离、超声分散中的任意ー种。
4.根据权利要求I所述石墨烯氮原子替位掺杂的方法，其特征在于所述活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸、氯化锌中的一种或多种的组合，优选为氢氧化钾，最优为O.6-1. 4g/l的氢氧化钾溶液。
5.根据权利要求I所述石墨烯氮原子替位掺杂的方法，其特征在于所述惰性气体为氮气或IS气，通入惰性气体的流量为80-200m3/min,优选150cm3/min。
6.根据权利要求I所述石墨烯氮原子替位掺杂的方法，其特征在于所述含氮反应气体为氨气，通入含氮反应气体的流量为20-100cm3/min,优选50cm3/min。
7.根据权利要求I所述石墨烯氮原子替位掺杂的方法，其特征在于所述活化同时还原过程中高温还原反应的温度为700-1000°C，优选800°C ;反应时间为5_20min，优选lOmin。
8.ー种氮原子替位掺杂的石墨烯，其特征在于该氮原子替位掺杂的石墨烯为单层平面结构，其氮含量为O. lwt%-21.5wt%，且含氮量稳定，其比表面积彡2000m2/g，以IMTEABF4/PC作为电解液其质量比电容200F/g-300 F/g，以6M KOH作为电解液其质量比电容为 200F/g-400 F/gο
9.根据权利要求8所述的氮原子替位掺杂的石墨烯，其特征在干其氮含量为6wt%-9wt%，且含氮量稳定，其比表面积为2100-3000m2/g。
10.一种提闻石墨稀材料质量比电容的方法，其特征在于在保持石墨稀闻比表面积和单层结构的情况下，将氮原子在石墨烯体内进行SP2替位掺杂，改变石墨烯的电子能带结构，増加电子态密度和载流子浓度，具体步骤为 对石墨烯活化处理的同时进行高温还原反应，一歩完成石墨烯的氮原子替位掺杂，具体操作如下 a.前处理将氧化石墨烯与活化剂混合，充分搅拌，干燥； b.活化同时还原将氧化石墨烯与活化剂的混合物放入高温反应炉中，抽去炉内空气后，向高温反应炉内通入惰性气体进行保护，升温至500-1500°C，然后通入含氮反应气体，恒温反应Imin以上； c.后处理高温还原反应结束后，在惰性气体保护下降至室温，洗涤、干燥，得到氮原子替位掺杂的石墨烯。
全文摘要
本发明公开一种提高石墨烯材料质量比电容的方法，在保持石墨烯高比表面积和单层结构的情况下，通过氮原子在石墨烯体内进行替位掺杂，改变石墨烯的电子能带结构，增加电子态密度和载流子浓度，具体步骤为在对石墨烯活化处理的同时进行高温还原反应，一步完成石墨烯的氮原子替位掺杂。采用本发明所得氮掺杂石墨烯含氮量高、比表面积大、比电容高，本发明提供的方法过程简单，氮含量稳定、环保且产率高。
文档编号H01B13/00GK102983011SQ201210374449
公开日2013年3月20日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者李璐, 瞿研 申请人:常州第六元素材料科技股份有限公司