一种氮掺杂石墨烯及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种氮掺杂石墨烯及其制备方法，所述制备方法包括：将咪唑衍生物与无机碱的混合物在非氧化性气氛下加热至400-800℃，得到氮掺杂石墨烯与金属氧化物的混合物；去除混合物中的金属氧化物，得到氮掺杂石墨烯。本发明通过在非氧化性气氛中加热咪唑衍生物与无机碱的混合物，利用咪唑衍生物热解产生活性碳和氮原子及碱催化促进碳二维方向生长的理念，来制备得到氮掺杂石墨烯。该方法具有工艺简单，生产周期短、易于规模化生产，不含危险有毒原料，可原位掺杂氮，且根据所选氮源的不同，制得的氮掺杂石墨烯具有氮含量可调的特点，氮掺杂量普遍可高达14％，可应用于锂离子电池、超级电容器、电催化等各个领域。
【专利说明】一种氮掺杂石墨烯及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及碳材料【技术领域】，特别涉及一种氮掺杂石墨烯及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 石墨烯是平面单层碳原子紧密结合在一起形成的二维蜂窝晶格材料。自2004年 Geim小组首次制得单层石墨烯后，石墨烯以其独特的结构和优异的物理性能受到广泛关 注。然而，由于石墨烯没有能带隙使得其电导性不能像传统的半导体一样完全被控制，而且 石墨烯表面光滑且呈惰性不利于与其他材料的复合从而阻碍了石墨烯的应用。石墨烯掺氮 可以打开能带隙并调整导电类型改变石墨烯的电子结构提高石墨烯的自由载流子密度从 而提高石墨烯的导电性能和稳定性。目前石墨烯掺氮的主要方法有：化学气相沉积法、氨源 热解、氮等离子放电法、电弧放电法、氨电热反应法和液相掺氮法等。目前这些方法存在如 下缺点：化学气相沉积法、氨源热解法、氮等离子放电法、电弧放电法等存在氮掺杂量不高 和多制备程序；液相掺氮法虽然氮掺杂量可达16. 4%，但涉及到危险原料Li3N，反应条件相 对苛刻。
【发明内容】
[0003] 为了弥补上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简 单、可原位掺杂氮的氮掺杂石墨烯制备方法。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0005] -种氮掺杂石墨烯制备方法，包括：
[0006] 将咪唑衍生物与无机碱的混合物在非氧化性气氛下加热至400-800°C，得到氮掺 杂石墨烯与金属氧化物的混合物；
[0007] 去除混合物中的金属氧化物，得到氮掺杂石墨烯；
[0008] 其中，所述咪唑衍生物选自苯并咪唑、甲巯基苯并咪唑、巯基苯并咪唑、2-甲基咪 唑、2-乙基咪唑、2- 丁基咪唑、2- i^一烷基咪唑、2-十七烷基咪唑、1-苄基-2-甲基咪唑中 的一种或多种；
[0009] 其中，所述无机碱选自锂、钠、钾、铷、铯、镁、钙、锶或钡的氢氧化物中的一种或多 种。
[0010] 本发明的有益效果在于：工艺简单、生产周期短、易于规模化生产，不含危险有毒 原料，可原位掺杂氮，且根据所选氮源的不同，制得的氮掺杂石墨烯具有氮含量可调的特 点，氮掺杂量可高达14 %，可应用于锂离子电池、超级电容器、电催化等各个领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1所示为本发明实施例1制备的氮掺杂石墨烯的扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0012] 为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式 并配合附图详予说明。
[0013] 本发明最关键的构思在于：通过在非氧化性气氛中加热咪唑衍生物和无机碱的混 合物，利用咪唑衍生物热解产生活性碳和氮原子及碱催化促进碳二维方向生长的理念，来 制备得到氮掺杂石墨烯，该方法工艺简单，生产周期短、易于规模化生产，不含危险有毒原 料，可原位掺杂氮，且根据所选氮源的不同，制得的氮掺杂石墨烯具有氮含量可调的特点， 氮掺杂量普遍可达到14% (重量比），可应用于锂离子电池、超级电容器、电催化等各个领 域。
[0014] 本发明提供的氮掺杂石墨烯制备方法，包括：
[0015] 将咪唑衍生物与无机碱的混合物在非氧化性气氛下加热至400-800°C，得到氮掺 杂石墨烯与金属氧化物的混合物；
[0016] 去除混合物中的金属氧化物，得到氮掺杂石墨烯；
[0017] 其中，所述氮源选自苯并咪唑、甲巯基苯并咪唑、巯基苯并咪唑、2-甲基咪唑、 2-乙基咪唑、2- 丁基咪唑、2- i^一烷基咪唑、2-十七烷基咪唑、1-苄基-2-甲基咪唑中的一 种或多种；
[0018] 其中，所述无机碱选自锂、钠、钾、铷、铯、镁、钙、锶或钡的氢氧化物中的一种或多 种。
[0019] 本发明制备氮掺杂石墨烯的机理如下：
[0020] 在含咪唑衍生物和无机碱的混合体系中，咪唑衍生物作为碳和氮源在高温非氧化 性气氛中，经过热解产生活性的氮原子和碳原子，碳原子在碱性金属氧化物表面成核重排， 重排依氧化物表面模板呈现二维方向的生长，且连续性好，从而得到石墨烯。与此同时，产 生的活性氮原子原位掺杂石墨烯的生长。金属氢氧化物具有溶解于酸的特点，因此混合物 经酸洗处理后，即可得到纯的石墨烯。
[0021] 从上述描述可知，本发明的有益效果在于：
[0022] 由于本发明仅需通过在非氧化性气氛中加热咪唑衍生物与无机碱，即可制备得到 氮掺杂石墨烯与金属氧化物的混合物，后续可通过酸洗等常规除杂工艺即可去除混合物中 的金属氧化物来得到纯度较高的氮掺杂石墨烯，因此相比现有技术而言，本发明具有工艺 简单、生产周期短、易于规模化生产，不含危险有毒原料，可原位掺杂氮，且根据所选氮源的 不同，制得的氮掺杂石墨烯具有氮含量可调的特点，氮掺杂量普遍可达到14 %，可应用于锂 离子电池、超级电容器、电催化等各个领域。
[0023] 优选的，所述咪唑衍生物与无机碱的重量比为氮源：无机碱=0. 1 : 100-2 : 1。
[0024] 优选的，所述非氧化性气氛由氮气、氩气、氢气和氨气中的一种或多种组成。
[0025] 优选的，由于氮掺杂石墨烯在高温下和空气接触易于被氧化，为了避免氧化造成 的产品纯度和质量下降等问题，本发明在去除混合物中的金属氧化物时，优选采用以下方 式：在隔绝空气的条件下和/或混合物温度低于l〇〇°C的条件下采用酸洗的方式去除混合 物中的金属氧化物，所述酸选自盐酸和醋酸中的一种或多种。更优选的，采用37 %浓盐酸和 30%醋酸中的一种或两种，在40-60°C的温度条件下酸洗4-8小时。洗涤完成后，可进一步 抽滤至干燥以获得高纯度的氮掺杂石墨烯。
[0026] 优选的，所述加热的速率为0. 5_15°C /min。当加热速率太快时，氮掺杂石墨烯的 产率较低，而过慢的加热速率，又会大大延长产品的生产周期。更优选的，所述加热的速率 为 2-KTC /min。
[0027] 优选的，为了提高氮掺杂石墨烯的产品质量，所述氮源与无机碱的混合物在非氧 化性气氛下加热至400-800°C后保温l_6h。
[0028] 下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如 无特殊说明，均可从商业途径获得。
[0029] 实施例1、分别称取0. 7克苯并咪唑和1. 5克氢氧化锂，在研钵中将其混匀，并放入 磁舟中，在氮气气氛的管式炉中加热至600°C，保持2小时，待炉温降至室温，得到氮掺杂石 墨烯和氧化钙复合物，用10毫升的37%浓盐酸在室温下，洗涤4小时，抽滤至干燥，得到氮 掺杂石墨烯。经元素分析，该氮掺杂石墨烯的氮含量为14%。
[0030] 实施例2、分别称取0. 5克苯并咪唑和1. 5克氢氧化银，在研钵中将其混勻，并放入 磁舟中，在氩气气氛的管式炉中加热至800°C，保持2小时，待炉温降至室温，得到氮掺杂石 墨烯和氧化钙复合物，用10毫升的37%浓盐酸在室温下，洗涤4小时，抽滤至干燥，即可得 到氮掺杂石墨烯。经元素分析，该氮掺杂石墨烯的氮含量为10.3%。
[0031] 实施例3、分别称取2克十七烧基咪唑和1克氢氧化钠，在研钵中将其混匀，并放入 磁舟中，在氩气气氛的管式炉中加热至750°C，保持1小时，待炉温降至室温，得到氮掺杂石 墨烯和氧化钙复合物，用10毫升的37%浓盐酸在室温下，洗涤4小时，抽滤至干燥，即可得 到氮掺杂石墨烯。经元素分析，该氮掺杂石墨烯的氮含量为12.4%。
[0032] 实施例4、分别称取0. 5克苯并咪唑和1. 5克氢氧化锂，在研钵中将其混勻，并放入 磁舟中，在氨气气氛的管式炉中加热至600°C，保持6小时，待炉温降至室温，得到氮掺杂石 墨烯和氧化钙复合物，用10毫升的37%浓盐酸在室温下，洗涤4小时，抽滤至干燥，即可得 到氮掺杂石墨烯。经元素分析，该氮掺杂石墨烯的氮含量为13.9%。
[0033] 实施例5、分别称取0. 5克苯并咪唑、0. 5克甲巯基苯并咪唑和3克氢氧化锂，在研 钵中将其混匀，并放入磁舟中，在氨气气氛的管式炉中加热至600°C，保持6小时，待炉温降 至室温，得到氮掺杂石墨烯和氧化钙复合物，用10毫升的37%浓盐酸和5毫升的30%乙酸 的混合酸溶液在室温下，洗涤4小时，抽滤至干燥，即可得到氮掺杂石墨烯。经元素分析，该 氮掺杂石墨烯的氮含量为13. 85%。
[0034] 实施例6、分别称取0. 5克2- i^一烷基咪唑、1. 0克氢氧化锂和0. 3克的氢氧化 钾，在研钵中将其混匀，并放入磁舟中，在氨气气氛的管式炉中加热至600°C，保持6小时， 待炉温降至室温，得到氮掺杂石墨烯和氧化钙复合物，用10毫升的37%浓盐酸在室温下， 洗涤4小时，抽滤至干燥，即可得到氮掺杂石墨烯。经元素分析，该氮掺杂石墨烯的氮含量 为 13. 1%。
[0035] 实施例7、分别称取0. 01克2- i^一烷基咪唑、10克的氢氧化钾，在研钵中将其混 匀，并放入磁舟中，在氨气气氛的管式炉中加热至700°C，保持6小时，待炉温降至室温，得 到氮掺杂石墨烯和氧化钙复合物，用10毫升的37%浓盐酸在室温下，洗涤4小时，抽滤至干 燥，即可得到氮掺杂石墨烯。经元素分析，该氮掺杂石墨烯的氮含量为11.8%。
[0036] 将上述实施例1-7制备得到的氮掺杂石墨烯，进行电镜扫描，得到的扫描电镜图 可参照图1所示。由图1所示可知，本发明最终制备得到的氮掺杂石墨烯由褶皱的薄纳米 片组成，氮掺杂石墨烯的厚度为4nm左右。
[0037] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技 术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1. 一种氮掺杂石墨烯制备方法，其特征在于，包括： 将咪唑衍生物与无机碱的混合物在非氧化性气氛下加热至400-800°C，得到氮掺杂石 墨烯与金属氧化物的混合物； 去除混合物中的金属氧化物，得到氮掺杂石墨烯； 其中，所述咪唑衍生物选自苯并咪唑、甲巯基苯并咪唑、巯基苯并咪唑、2-甲基咪唑、 2-乙基咪唑、2- 丁基咪唑、2- i^一烷基咪唑、2-十七烷基咪唑、1-苄基-2-甲基咪唑中的一 种或多种； 其中，所述无机碱选自锂、钠、钾、铷、铯、镁、钙、锶或钡的氢氧化物中的一种或多种。
2. 根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯制备方法，其特征在于：所述咪唑衍生物与无 机碱的混合物在非氧化性气氛下加热至400-80(TC后保温l_6h。
3. 根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯制备方法，其特征在于：在隔绝空气的条件下 和/或混合物温度低于100°C的条件下采用酸洗的方式去除混合物中的金属氧化物，所述 酸选自盐酸和醋酸中的一种或两种。
4. 根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯制备方法，其特征在于：所述非氧化性气氛由 氮气、氦气、氢气和氨气中的一种或多种组成。
5. 根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯制备方法，其特征在于：所述加热的速率为 0· 5-15。。/min。
6. 根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯制备方法，其特征在于：所述加热的速率为 2-KTC /min。
7. 根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯制备方法，其特征在于：所述咪唑衍生物与无 机碱的重量比为咪唑衍生物：无机碱=〇. 1 : 100-2 : 1。
8. -种由权利要求1至7任意一项所述的制备方法制备得到的氮掺杂石墨烯。
【文档编号】C01B31/04GK104108708SQ201410361251
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】马建民, 毛玉华 申请人:深圳新宙邦科技股份有限公司