1所示。其制备方法如下:
[0038](a)于95°C去离子水中加入摩尔比为40:1的三聚氰胺、葡萄糖，搅拌至完全溶解后得混合溶液；
[0039](b)于步骤(a)所述混合溶液中加入磷酸，磷酸根与三聚氰胺的摩尔比为1:5，搅拌至混合均匀后旋转蒸发干燥得三聚氰胺磷酸盐沉淀；
[0040](c)于管式炉中，在氩气保护下，以10°C /min升温至560°C，保温2小时，然后再以200C /min升温至900°C，保温10小时。
[0041]按照本实施例所制备的碳材料的形貌、结构和化学成分如图5所示。如图所示，所制备的碳材料在宏观上均匀的颗粒状(图5a)，而在高倍的SEM电镜下，可以看出这些颗粒状的颗粒为剥离的片层结构(图5b)。通过透射电镜可以看出，这些片层有很多褶皱，且片层上面有很多空洞(图5c)。高倍透射电镜照片显示，这些片层的层间距为0.34nm，为典型的碳的{0001}面的层间距(图5d)。通过拉曼光谱也可以看出，这些材料具有典型的碳结构(G峰)，但上面存在很多缺陷(D峰较强)(图5e)。所获得的材料有很好的催化氧还原的性能(图6)和超电容性能(图7)
[0042]实施例2:
[0043]按造本实施例所制备的材料是晶格内部掺杂有氮元素，而碳边缘则有磺酸根修饰的石墨烯材料。氮元素的掺杂浓度为8at%，硫元素的浓度为3.8at%。这种材料的结构示意图如图1所示。其制备方法如下:
[0044](a)于95°C去离子水中加入摩尔比为80:1的三聚氰胺、果糖，搅拌至完全溶解后得混合溶液；
[0045](b)于步骤(a)所述混合溶液中加入硫酸，硫酸根与三聚氰胺的摩尔比为1:10，搅拌至混合均匀后旋转蒸发干燥得三聚氰胺磷酸盐沉淀；
[0046](c)于管式炉中，在氮气保护下，以5°C /min升温至380°C，保温2.5小时，然后再以2°C /min升温至950°C，保温3小时。
[0047]实施例3:
[0048]按造本实施例所制备的材料是晶格内部掺杂有氮和硼元素，而碳边缘则有磷酸根修饰的石墨烯材料。氮元素的掺杂浓度为3at%，硼元素的掺杂浓度为2.8%，磷酸元素的浓度为1.7at%。这种材料的结构示意图如图1所示。其制备方法如下:
[0049](a)于95°C去离子水中加入摩尔比为80:1的三聚氰胺、果糖，搅拌至完全溶解后得混合溶液；
[0050](b)于步骤(a)所述混合溶液中加入磷酸，磷酸根与三聚氰胺的摩尔比为3:10，搅拌至混合均匀后旋转蒸发干燥得三聚氰胺磷酸盐沉淀；
[0051](c)于管式炉中，在氮气保护下，以8°C /min升温至430°C，保温7小时，然后再以80C /min升温至850°C，保温2小时。
[0052]实施例4:
[0053]按造本实施例所制备的材料是晶格内部掺杂有氮和硼元素，而碳边缘则有磷酸根和硫酸根修饰的石墨烯材料。氮元素的掺杂浓度为3at%，硼元素的掺杂浓度为2.8%，磷酸元素的浓度为1.7at%，硫的浓度为2.8%。这种材料的结构示意图如图1所示。其制备方法如下:
[0054](a)于95°C去离子水中加入摩尔比为80:1的三聚氰胺、葡萄糖，搅拌至完全溶解后得混合溶液；
[0055](b)于步骤(a)所述混合溶液中加入磷酸和硫酸，磷酸根与三聚氰胺的摩尔比为3:10，硫酸根与三聚氰胺的摩尔比为1:2搅拌至混合均匀后旋转蒸发干燥得三聚氰胺磷酸盐沉淀；
[0056](c)于管式炉中，在氮气保护下，以5°C /min升温至550°C，保温2小时，然后再以50C /min升温至950°C，保温3小时。
【主权项】
1.一种石墨化碳材料，其特征在于:所述石墨化碳材料的碳晶格内部嵌入有氮原子；碳晶格边缘修饰有磷和/或硫元素的含氧官能团。2.如权利要求1所述石墨化碳材料，其特征在于:所述石墨化碳材料的碳晶格内部还嵌入有硼原子。3.如权利要求1-2任一所述石墨化碳材料，其特征在于:所述磷和/或硫元素的含氧官能团为磷酸根基团、聚磷酸根基团、磺酸根基团中的一种或两种以上。4.如权利要求1所述石墨化碳材料，其特征在于:所述氮原子于所述石墨化碳材料中的原子百分含量为0.05-15% ;所述磷和/或硫元素官能团中磷和/或硫原子于所述石墨化碳材料中的原子百分含量为0.01-10%。5.如权利要求2所述石墨化碳材料，其特征在于:所述硼原子于所述石墨化碳材料中的原子百分含量为0.01-10% ;所述磷和/或硫元素官能团中磷和/或硫原子于所述石墨化碳材料中的原子百分含量为0.01-10%。6.一种权利要求1、3-4任一所述石墨化碳材料的制备方法:其特征在于:包括以下步骤， (a)于水中将三聚氰胺与可溶性碳源混合，同时加入酸源并搅拌至完成溶解后旋转蒸发干燥得沉淀物； 所述酸源为硫酸、硫酸酸酐、磷酸、多聚磷酸、多聚磷酸酸酐或磷酸酸酐中的一种或两种以上； (b)将步骤(a)所得沉淀物于惰性气氛中高温处理得碳晶格内部嵌入有氮原子，碳晶格边缘修饰有磷和/或硫元素官能团的石墨化碳材料。7.一种权利要求2或5任一所述石墨化碳材料的制备方法:其特征在于:包括以下步骤， (a)于水中将三聚氰胺与可溶性碳源混合，同时加入硼源和酸源并搅拌至完成溶解后旋转蒸发干燥得沉淀物； 所述硼源为硼酸或硼酸酸酐中的一种或两种，酸源为硫酸、硫酸酸酐、磷酸、多聚磷酸、多聚磷酸酸酐或磷酸酸酐中的一种或两种以上； (b)将步骤(a)所得沉淀物于惰性气氛中高温处理得碳晶格内部嵌入有氮和硼原子，碳晶格边缘修饰有磷和/或硫元素官能团的石墨化碳材料。8.如权利要求6-7任一所述石墨化碳材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(a)中可溶性碳源为葡萄糖、蔗糖、果糖、麦芽糖、乳糖、冰糖、壳聚糖、聚乙烯醇、聚乙二醇、可溶性淀粉中的一种或者两种以上的混合物。9.如权利要求6-7任一所述石墨化碳材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(b)中惰性气氛为氮气、氩气或氦气中的一种或两种以上。10.如权利要求6-7任一所述石墨化碳材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(b)中高温处理的条件为从室温起以1_20°C /min升温速度加热至350_650°C，保温1_24小时，接着以1-20°C /min升温速度加热至750_1100°C，保温1_24小时。11.如权利要求6-7任一所述石墨化碳材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(b)中磷和/或硫元素官能团为磷酸根基团、磺酸根基团、聚磷酸根基团中的一种或两种以上。12.如权利要求6-7任一所述石墨化碳材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(a)中可溶性碳源和三聚氰胺的摩尔比为1:10-1:100，所述酸源和三聚氰胺的摩尔比在1:0.1-1:10 ;硼源和三聚氰胺的摩尔比为1:0.1-1:10,三聚氰胺于水中的质量浓度0.1gml 1~lg ml 1O13.如权利要求1-5任一所述石墨化碳材料的应用，其特征在于:所述这种材料具有良好双亲性能(亲水和亲油)、化学稳定性和导电性，做为电催化剂、超级电容器材料、或锂离子电池电极材料等电极材料具有潜在的应用价值。
【专利摘要】本发明公开了一种多元掺杂的石墨化碳材料及其制备方法。具体来讲这种石墨化碳材料具有片层结构，是单层或者多层石墨烯。在这种碳材料的石墨化晶格中嵌入有氮原子，可能嵌入有硼原子；在碳晶格边缘修饰有磷和/或硫元素官能团。所述碳材料具有亲水性强，导电性好，做为电催化材料、超级电容器材料、锂离子电池等电极材料具有潜在的应用价值。
【IPC分类】C01B31/04
【公开号】CN105621393
【申请号】CN201410708174
【发明人】孙公权, 金具涛, 姜鲁华
【申请人】中国科学院大连化学物理研究所
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2014年11月28日