[发明专利]一种同时还原并氮掺杂功能化氧化石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种石墨烯的制备方法，具体的说是一种同时还原并氮掺杂功能化氧化石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯（Graphene）是SP²杂化的碳原子以六元环方式进行堆积所形成的单层薄膜，它是一种完美的二维晶体，经过卷曲或者组装可以形成零维的富勒烯（fullerene）、一维的碳纳米管（CNTs）和三维的石墨（graphite），因此被看作是石墨形态材料的母体。石墨烯具有独特的二维结构、超乎寻常的载流子类型以及优异的综合性能，如：理论比表面积约为2600m²g^-1，杨氏模量约为1100GPa，断裂强度为125GPa，热导率为5000Wm^-1K^-1，载流子迁移率是200 000cm²V^-1s^-1，并且具有室温量子霍尔效应和双极化场效应，此外石墨烯还具有良好的光学稳定性和化学稳定性。在电子器件、复合材料、电池、场发射器、气体传感器、催化、储能材料等领域有广泛的研究，体现了石墨烯材料独特的优势和巨大的发展前景。

现有的石墨烯制备方法众多，包括微机械分离法、石墨及其衍生物直接剥离法、SiC外延生长法、还原氧化石墨烯法、化学气相沉积法、电弧法、有机合成法、打开碳管法等。其中，还原氧化石墨烯法因其成本低廉、操作简单、条件温和、可大量制备等优点而受到人们的广泛关注。目前氧化石墨烯的还原体系有还原剂还原（水合肼、NaBH₄、抗坏血酸、HI、Zn、Fe等）、热还原、光催化还原、电化学还原等方法。热还原石墨烯C/O比高，但能耗大，石墨烯结构被破坏；还原剂还原氧化石墨烯不仅引入杂质，而且往往造成不可逆团聚，因此开发新的、高效的、绿色的氧化石墨烯还原体系意义重大。

为了将石墨烯材料应用于不同的领域，需要对石墨烯的电学、光学、机械等性能进行调变。杂原子掺杂能够显著的改变材料的性质，其中，N原子掺杂是一种重要的调变途径，一般采用化学掺杂和功能化方法。然而，在氮前驱体存在的情况下，无论是经过热处理（≈800℃）还是化学气相沉积（CVD）等过程，均存在能耗高、N含量低（≈5%）、条件苛刻等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术中的不足，提供一种操作简单、条件温和、能耗低的同时还原并氮掺杂功能化氧化石墨烯的制备方法。

本发明的制备方法包括以下过程：

（1）氧化石墨烯溶胶的制备：首先，将氧化石墨研磨成1-100微米的细粉，将其与溶剂混合后，搅拌0.5-10h配制成浓度为0.25-5mg/mL悬浮液；然后，对悬浮液进行0.5-2h超声处理，功率为40-100W；接着，对上述体系进行0.5-3h的离心处理，转速为≥3000rpm，除去底部沉淀物，再经过透析处理，制得氧化石墨烯溶胶；

（2）功能化石墨烯的制备：将步骤⑴所制备的氧化石墨烯溶胶与浓度为25-28wt%氨水进行混合，密封，在40-180℃下反应0.5-10h，得到功能化石墨烯体系；然后在20-80℃下干燥，即可制备氮掺杂功能化的石墨烯；

其中氧化石墨烯溶胶：浓度为25-28wt%氨水的体积比为5-50:1。

所述氧化石墨是以天然石墨、鳞片石墨、致密结晶状石墨或者人造石墨为原料，采用Hummers法、Staudenmaier法或Brodie法制备的。

所述溶剂为水、乙醇或者二者的混合液。

 所述的透析处理是将氧化石墨烯溶胶置于截留分子量为3500的透析袋中，在流动的去离子水中进行4-7天的处理，即可制得纯净的氧化石墨烯溶胶。

本发明的原理在于氨水能与氧化石墨烯的羧基、环氧基和羰基反应，生成胺基，而羟基则与氨气生成氢键，完成氧化石墨烯的氮掺杂功能化过程，如下列所示；同时，在氨水的碱性及热作用下，氧化石墨烯发生含氧基团的脱除，发生氧化石墨烯的还原过程。

所制备的氧化石墨烯溶胶中，氧化石墨烯几乎全部以单片存在，实现了有效的剥离；尺寸大小分布较宽，形状多样；低温下（≤100℃）所制备的功能化石墨烯呈黑色薄膜状，有金属光泽和一定的机械强度，并且韧性较好。

与现有技术相比较，本发明制备氮掺杂功能化石墨烯的方法具有以下优点：

（1）本发明所涉及的试剂均为环境友好试剂，避免了对环境、人身伤害等危险；

（2）本发明操作简单，对设备无特殊要求，安全性和重复性好，可以通过简单的工艺放大，实现大规模生产；