[发明专利]一种掺杂碳材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种掺杂碳材料及其制备方法。该掺杂碳材料的制备方法包括：将球磨石墨浸渍于溶剂中，加入硼源，得到混合物；其中，2g球磨石墨溶于100mL‑200mL溶剂中，硼源和球磨石墨的质量比为10:1‑0.5:1；将混合物加热至60℃‑100℃，得到固相混合物；在惰性气体气氛下，600℃‑1000℃下，对固相混合物进行煅烧，煅烧的时间为60min‑500min，经过洗涤、干燥，得到掺杂碳材料。本发明还提供了由上述制备方法得到的掺杂碳材料。本发明的掺杂碳材料的制备方法简便易行、工艺成本低，制备得到的掺杂碳材料具有优异的硝基苯催化性能。

技术领域

本发明涉及一种碳材料及其制备方法，尤其涉及一种掺杂杂原子的碳材料及其制备方法，属于石墨材料技术领域。

背景技术

石墨烯是单个碳原子厚度的“理想的”二维平面结构，在其费米面附近，能量与动量的关系可以近似为线性关系，因此石墨烯中的电子被称为狄拉克-费米子(Dirac-Fermion)。这样的色散关系也导致了载流子能在电子和空穴之间连续转变，决定了石墨烯“零带隙”半导体的属性。石墨烯的高迁移率、室温量子霍尔效应、高热导率及对可见光的高透射率都与其特殊的能带结构有关，赋予了石墨烯多种新奇的物理特性；但同时，其完美的二元对称结构也造成了石墨烯性质缺少了调制的空间。在石墨烯晶格内引入异质原子，是打破石墨烯对称结构的重要方法之一，而且可以根据异质原子的含量、位置和结构来调制其性能。

掺杂可有效打开石墨烯带隙，同时，引起空间电荷极化，使其催化活性显著提高。掺杂石墨烯的杂原子包括：氮、磷、硫、硼等掺杂石墨烯。其中，掺杂硼原子的石墨烯硼元素的电负性(为2.04)，低于碳元素的电负性(为2.55)，而且电子会向电负性高的一方移动，因此硼原子会暴露出来从而产生活性位，导致其在电极材料，超级电容器和催化领域都表现出优异的性能。掺杂硼原子的碳材料的制备方法主要包括：球磨法、CVD法、等离子体法、热处理法等。

其中，CVD法、等离子体法制备的量较少，一般在毫克级别。有报道(Yangming Linet al.Chem.Commun.,2015,51,13086-13089)通过用金刚石与硼酸在热处理1500℃制备硼掺杂石墨烯，其催化效果优异，但是原料昂贵，制备条件苛刻。

因此，硼掺杂石墨烯的大量制备是本领域亟待解决的问题之一。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种制备方法简单、工艺成本低，适合大规模生产、可以掺杂硼的掺杂碳材料的制备方法，制备得到的掺杂碳材料具有优异的催化性能，且硼的掺杂量高。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种掺杂碳材料的制备方法，该掺杂碳材料的制备方法包括以下步骤：

将球磨石墨浸渍于溶剂中，加入硼源，得到混合物；其中，2g球磨石墨溶于100mL-200mL溶剂中，硼源和球磨石墨的质量比为10:1-0.5:1；

将混合物加热至60℃-100℃(优选为80℃)，得到固相混合物；

在惰性气体气氛、600℃-1000℃下，对固相混合物进行煅烧，煅烧的时间为60min-500min，经过洗涤、干燥，得到掺杂碳材料。

在本发明的掺杂碳材料的制备方法中，优选地，采用的球磨石墨是按照以下步骤制备得到的：

将碳材料在500rpm-950rpm的转速下球磨24h-64h，得到球磨石墨。

在本发明的掺杂碳材料的制备方法中，优选地，采用的碳材料包括石墨、多孔碳、碳纳米管、富勒烯、生焦或熟焦。

在本发明的掺杂碳材料的制备方法中，优选地，采用的硼源包括苯硼酸、硼酸或氧化硼。

在本发明的掺杂碳材料的制备方法中，优选地，采用的溶剂包括乙醇或水。