專利名稱：摻氮石墨烯的制備方法
摻氮石墨烯的制備方法
技術領域：
本發明涉及新材料制備領域，尤其涉及一種摻氮石墨烯的制備方法。
背景技術：
石墨烯是2004年英國曼徹斯特大學的安德烈 K 海姆(Andre K.Geim)等發現的一種二維碳原子晶體，為單層或多層的極薄的碳材料。由于其獨特的結構和光電性質使其成為碳材料、納米技術、凝聚態物理和功能材料等領域的研究熱點，吸引了諸多科技工作者。單層石墨烯擁有優良的導電、導熱性能和低的熱膨脹系數，并且其理論比表面積高達 2630m2/g (APeigney, Ch Laurent, et al.Carbon, 2001, 39, 507),可用于效應晶體管、電極材料、復合材料、液晶顯示材料、傳感器等。目前制備石墨烯的方法主要有石墨剝裂(Novoselov K S, Geim AK, et al.Science 2004, 306,666)、化學氧化還原法[D A Dikin,et al.Nature 2007,448,457 ；Sasha Stankovich, Dmitriy A Dikin, Richard D Piner,et al.Carbon 2007,45,1558]、超聲剝離法(Guohua Chen, Wengui ffeng, Dajun Wu, etal.Carbon.2004，42，753)等。然而，通過氧化還原的方法大規模制備石墨烯的過程中，還原過后的石墨烯還含有較少量的-OH、-C-O-C-和-C00H等含氧官能團，這些官能團會降低石墨烯的電化學穩定性。化學氣相沉積法已經實現了碳納米管的批量生產，有望利用化學氣相沉積法實現石墨烯的批量生產。所以人們開始利用等離子體增強化學氣相沉積法制備摻氮石墨烯(HyungMo Jeong, et al.Nano Letters, 2011,11, 2472-2477)。目前已經有米用固體碳源與氮源利用爆炸法制備摻雜石墨烯的方法，但是爆炸法危險系數較高，從而設備要求較高。

發明內容

基于此， 有必要提供一種危險系數較低的摻氮石墨烯的制備方法。一種摻氮石墨烯的制備方法，包括如下步驟:步驟一、將液體碳源和含氮有機物配制成混合溶液或懸濁液，并將所述混合溶液或懸濁液涂覆在金屬襯底表面；步驟二、在保護氣體氛圍下，將涂覆有混合溶液或懸濁液的金屬襯底加熱到750°C 1100°C，保持Imin 300min，冷卻后得到摻氮石墨烯。優選的，步驟一中，所述金屬襯底為銅箔、鐵箔、鎳箔或鈷箔。優選的，步驟一還包括將所述混合溶液或懸濁液涂覆在金屬襯底表面之前，對所述金屬襯底依次用去離子水、乙醇和丙酮超聲清洗后烘干的操作。優選的，步驟一中，所述液體碳源為甲醇、乙醚和乙醇中的至少一種。優選的，步驟一中，所述含氮有機物為尿素、苯胺和硝基苯胺中的至少一種。優選的，步驟一中，所述混合溶液或懸濁液中液體碳源和含氮有機物的總濃度為
0.05mol/L lmol/L。優選的，步驟一中，所述混合溶液或懸濁液中碳原子和氮原子的摩爾比為2: I 20:1。優選的，步驟二中，所述保護氣體為氫氣、氮氣和氬氣中的至少一種。優選的，步驟二中，所述保護氣體氛圍通過如下操作得到:將涂覆有混合溶液或懸池液的金屬襯底放入反應室內，向所述反應室內通入保護氣體IOsccm IOOOsccm,保持Imin 60mino優選的，步驟二中，將涂覆有混合溶液或懸濁液的金屬襯底加熱到900°C 1100 °C，保持 30min 60min。這種摻氮石墨烯的制備方法利用液體碳源和含氮有機物進行熱反應制得摻氮石墨烯，相對于傳統的爆炸法，危險系數較低。

圖1為一實施方式摻氮石墨烯的制備方法的流程圖；圖2為實施例1制備的摻氮石墨烯的SEM圖片；圖3為實施例 1制備的摻氮石墨烯的XPS圖譜。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對摻氮石墨烯的制備方法作進一步說明。如圖1所示的一實施方式的摻氮石墨烯的制備方法，包括如下步驟:步驟S10、將液體碳源和含氮有機物配制成混合溶液或懸濁液，并將混合溶液或懸濁液涂覆在金屬襯底表面。金屬襯底可以為銅箔、鐵箔、鎳箔或鈷箔。將混合溶液或懸濁液涂覆在金屬襯底表面之前，還需要將金屬襯底依次用去離子水、乙醇和丙酮超聲清洗后烘干，以得到清潔、干燥的金屬襯底。液體碳源為甲醇、乙醚和乙醇中的至少一種。含氮有機物為尿素、苯胺和硝基苯胺中的至少一種。直接用液體碳源溶解含氮有機物，液體碳源和含氮有機物相互之間能夠互溶則形成溶液，不能互溶則形成懸濁液。之后用水稀釋到合適的濃度，再將混合溶液或懸濁液涂覆在金屬襯底表面。混合溶液或懸濁液中液體碳源和含氮有機物的總濃度為0.05mol/L lmol/L。混合溶液或懸濁液中碳原子和氮原子的摩爾比為2: I 20:1。步驟S20、在保護氣體氛圍下，將步驟SlO得到的涂覆有混合溶液或懸濁液的金屬襯底加熱到750°C 1100°C，保持Imin 300min，冷卻后得到摻氮石墨烯。保護氣體為氫氣、氮氣和氬氣中的至少一種。保護氣體氛圍可以通過如下操作得到:將涂覆有混合溶液或懸濁液的金屬襯底放入反應室內，向反應室內通入保護氣體IOsccm IOOOsccm,保持Imin 60min。優選的，向反應室內通入保護氣體20min 30min。優選的，將涂覆有混合溶液或懸濁液的金屬襯底加熱到900°C 1100°C，保持30min 60mino反應結束后，先停止對襯底加熱，冷卻至室溫后，再停止通入保護氣體，便在襯底表面得到摻氮石墨烯。這種摻氮石墨烯的制備方法利用液體碳源和含氮有機物進行熱反應制得摻氮石墨烯，相對于傳統的爆炸法，危險系數較低。這種摻氮石墨烯的制備方法利用熱反應法來制備摻氮石墨烯，液體碳源和含氮有機物混合均勻，且無需額外制備催化劑。同時，液體碳源和含氮有機物來源廣泛、成本低廉，易于實現批量生產。與其它摻氮方法相比，還具有原料利用率高、摻氮量易控制等優點。下面為具體實施例。實施例1將鐵箔用去離子水、乙醇、丙酮超聲清洗后烘干。按照碳原子與氮原子的摩爾比為5: 1，將甲醇和尿素混合，之后加水配成濃度為0.lmol/L的混合溶液，并均勻涂覆在鐵箔上。將鐵箔放到反應室,通入氫氣IOOsccm,保持50min,形成保護氣氛。將鐵箔加熱到900°C，保持溫度不變，反應200min。反應完成后，停止對鐵箔加熱，
反應室冷卻至室溫后停止通入氫氣，得到摻氮石墨烯。圖2為實施例1制備的摻氮石墨烯的SEM圖片。從圖2中可以看出，在鐵箔表面已成功生長出摻氮石墨烯，厚度約為Inm 2nm,長度約為0.5um 5um。圖3為實施例1制備的摻氮石墨烯的XPS圖譜。從圖3中可以看出，氮已經摻到石墨烯里，含量約為3.7%，氧含量約3.8%，達到了較理想的摻雜效果。實施例2`將鈷箔用去離子水、乙醇、丙酮超聲清洗后烘干。按照碳原子與氮原子的摩爾比為
2: 1，將乙醇與硝基苯胺混合，之后加水配成濃度為0.05mol/L的混合溶液，并均勻涂覆在鈷箔上。將鈷箔放到反應室,通入Il氣IOOOsccm,保持Imin,形成保護氣氛。襯鈷箔熱到1000°C,保持溫度不變,反應60min。反應完成后,停止對鈷箔加熱,反應室冷卻至室溫后通入停止氬氣，得到摻氮石墨烯。實施例3將鎳箔用去離子水、乙醇、丙酮超聲清洗后烘干。按照碳原子與氮原子的摩爾比為10: 1，將乙醚與苯胺混合，之后加水配成濃度為lmol/L的混合溶液，并均勻涂覆在鎳箔上。將鎳箔放到反應室,通入氮氣IOsccm,保持60min,形成保護氣氛。將鎳箔加熱到750°C，保持溫度不變，反應300min。反應完成后，停止對鎳箔加熱，反應室冷卻至室溫后停止通入氮氣，得到摻氮石墨烯。實施例4將銅箔用去離子水、乙醇、丙酮超聲清洗后烘干。按照碳原子與氮原子的摩爾比為20: 1，將乙醇與尿素混合，之后加水配成濃度為0.3mol/L的混合溶液，并均勻涂覆在銅箔上。將銅箔放到反應室,通入氫氣200sccm,保持IOmin,形成保護氣氛。將銅箔加熱到1100°C，保持溫度不變，反應lmin。反應完成后，停止對銅箔加熱，反應室冷卻至室溫后停止通入氫氣，得到摻氮石墨烯。
以上實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明 專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種摻氮石墨烯的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一、將液體碳源和含氮有機物配制成混合溶液或懸濁液，并將所述混合溶液或懸濁液涂覆在金屬襯底表面； 步驟二、在保護氣體氛圍下，將涂覆有混合溶液或懸濁液的金屬襯底加熱到750°C 1100°C,保持Imin 300min,冷卻后得到摻氮石墨烯。
2.如權利要求1所述的摻氮石墨烯的制備方法，其特征在于，步驟一中，所述金屬襯底為銅箔、鐵箔、鎳箔或鈷箔。
3.如權利要求1所述的摻氮石墨烯的制備方法，其特征在于，步驟一還包括將所述混合溶液或懸濁液涂覆在金屬襯底表面之前，對所述金屬襯底依次用去離子水、乙醇和丙酮超聲清洗后烘干的操作。
4.如權利要求1所述的摻氮石墨烯的制備方法，其特征在于，步驟一中，所述液體碳源為甲醇、乙醚和乙醇中的至少一種。
5.如權利要求1所述的摻氮石墨烯的制備方法，其特征在于，步驟一中，所述含氮有機物為尿素、苯胺和硝基苯胺中的至少一種。
6.如權利要求1所述的摻氮石墨烯的制備方法，其特征在于，步驟一中，所述混合溶液或懸濁液中液體碳源和含氮有機物的總濃度為0.05mol/L lmol/L。
7.如權利要求1所述的摻氮石墨烯的制備方法，其特征在于，步驟一中，所述混合溶液或懸濁液中碳原子和氮原子的摩爾比為2: I 20:1。
8.如權利要求1所述的摻氮石墨烯的制備方法，其特征在于，步驟二中，所述保護氣體為氫氣、氮氣和IS氣中的至少一種。
9.如權利要求1所述的摻氮石墨烯的制備方法，其特征在于，步驟二中，所述保護氣體氛圍通過如下操作得到:將涂覆有混合溶液或懸濁液的金屬襯底放入反應室內，向所述反應室內通入保護氣體IOsccm IOOOsccm,保持Imin 60min。
10.如權利要求1所述的摻氮石墨烯的制備方法，其特征在于，步驟二中，將涂覆有混合溶液或懸濁液的金屬襯底加熱到900°C 1100°C，保持30min 60min。
全文摘要
本發明公開了一種摻氮石墨烯的制備方法，包括如下步驟步驟一、將液體碳源和含氮有機物配制成混合溶液或懸濁液，并將所述混合溶液或懸濁液涂覆在金屬襯底表面；步驟二、在保護氣體氛圍下，將涂覆有混合溶液或懸濁液的金屬襯底加熱到750℃～1100℃，保持1min～300min，冷卻后得到摻氮石墨烯。這種摻氮石墨烯的制備方法利用液體碳源和含氮有機物進行熱反應制得摻氮石墨烯，相對于傳統的爆炸法，危險系數較低。
文檔編號C01B31/04GK103121669SQ20111037156
公開日2013年5月29日 申請日期2011年11月21日 優先權日2011年11月21日
發明者周明杰, 袁新生, 王要兵 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術有限公司