[发明专利]一种硼氮共掺杂石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料合成领域，特别是涉及一种硼氮共掺杂石墨烯及其制备方法。

背景技术

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体，为单层或多层的极薄的碳材料。单层石墨烯拥有优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，并且其理论比表面积高达2630m²/g(A Peigney，Ch Laurent，et al.Carbon，2001，39，507)，可用于效应晶体管、电极材料、复合材料、液晶显示材料、传感器等。

目前制备石墨烯的方法主要有石墨剥裂(Novoselov K S，Geim A K，et al.Science 2004，306，666)、化学氧化还原法[D A Dikin，et al.Nature 2007，448，457；Sasha Stankovich，Dmitriy A Dikin，Richard D Piner，et al.Carbon 2007，45，1558]、超声剥离法(Guohua Chen，Wengui Weng，Dajun Wu，et al.Carbon.2004，42，753)，化学气相沉积法(Alexander N，Obraztsov.Nature nanotechnology.2009，4，212)等。通常，这些方法制备的石墨烯都是本征的石墨烯。

研究对石墨烯进行元素掺杂改性是当今纳米材料领域的一大热点。理论研究表明，石墨烯经元素掺杂后能带结构会有调整，从而可极大地拓展石墨烯在光学、电学和磁学等领域的应用。目前，掺杂石墨烯制备方法的研究并不是很充分，并且多集中在掺氮石墨烯的研究和掺硼石墨烯的研究上。硼氮共掺杂的石墨烯少有报道，目前可见的硼氮共掺杂是通过气体氮源(氨气)和气态硼源(三氯化硼)进行的，这两种物质由于为气态，活性较低，能够掺入的氮或硼有限，每种元素都不高于3％，因此氮和硼各自含量的可调范围较窄。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种硼氮共掺杂石墨烯的制备方法，该制备方法以尿素和三氧化二硼分别作为氮源和硼源制备硼氮共掺杂石墨烯，硼元素和氮元素各自的最高掺杂量均可接近10％，因此氮和硼各自含量的可调范围宽。同时，本发明提供了通过该制备方法制得的硼氮共掺杂石墨烯。

本发明提供了一种硼氮共掺杂石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

首先，按质量比为1∶1～4∶1～4的比例取氧化石墨、尿素和三氧化二硼混合均匀置于反应器中；然后，往反应器中通入保护性气体，所述保护性气体的通入流速为150～300ml/min；接着，以15～20℃/min的升温速度将反应器中的温度升温至800～900℃，并保持30min～2h；最后，在流速为150～300ml/min的保护性气体中降温至室温，制得硼氮共掺杂石墨烯。

优选地，所述保护性气体为氩气、氮气及氦气中的至少一种。

优选地，所述反应器为管式炉。

优选地，所述氧化石墨、尿素和三氧化二硼的质量比为1∶3∶3。

优选地，所述氧化石墨采用如下步骤制得：

将石墨加入浓硫酸和浓硝酸组成的混合酸液中形成混合液，将混合液的温度保持在-2～2℃搅拌10～30min；向混合液中慢慢地加入高锰酸钾，继续将混合液的温度保持在-2～2℃搅拌1h；将混合液升温至80～90℃并保持0.5～2h；向混合液中加入去离子水，继续在80～90℃保温0.5～2h；及向混合液中加入过氧化氢除去高锰酸钾，抽滤，依次用稀盐酸和去离子水对固体物进行洗涤，干燥固体物后得到氧化石墨；所述石墨与所述浓硫酸及浓硝酸的固液比为1g∶80～110ml∶15～35ml；所述石墨与所述高锰酸钾的质量比为1∶1～10；高锰酸钾与过氧化氢的固液比为1g∶1～3ml。

优选地，所述石墨的纯度为90％～99.9％。

本发明硼氮共掺杂石墨烯的制备方法以尿素和三氧化二硼分别作为氮源和硼源制备硼氮共掺杂石墨烯，硼元素和氮元素各自的最高掺杂量均可接近10％，因此氮和硼各自含量的可调范围宽，能级之间的宽度调节范围宽，所以可以根据器件性能的要求制备合适硼元素和氮元素含量的硼氮共掺杂石墨烯。此外该制备方法工艺简单，便于操作，对设备无特殊要求，易于实现大规模工业化生产。

本发明还提供了一种硼氮共掺杂石墨烯，所述硼氮共掺杂石墨烯按上述制备方法制得。

优选地，所述硼氮共掺杂石墨烯中硼元素和氮元素的掺杂量均为4％～10％。