[发明专利]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

说明书

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，制备氮掺杂石墨烯材料，最高含氮量为1%，且极易失去。这两种方法制备的氮掺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℃，然后通入含氮反应气体，恒温反应1min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Hummers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0.6-1.4g/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20-100cm³/min，优选50cm³/min。

所述活化同时还原过程中高温还原反应的温度为700-1000℃，优选800℃；反应时间为5-20min，优选10min。

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0.1wt%-21.5wt%，且含氮量稳定，其比表面积≥2000m2/g，以1M 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。