一种制备掺杂石墨烯的装置及方法

技术领域

本发明涉及纳米材料制备领域，具体涉及一种制备掺杂石墨烯的装置及方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有出色的导电性、高强度和灵活性。自被英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在实验室通过多次“撕胶带”的方式从石墨中成功分离出石墨烯以来，受到越来越多的关注。但单一组分的石墨烯材料本身存在一定的局限，如容易发生团聚，不易加工成型等，极大地限制了石墨烯的应用。而石墨烯掺杂能够提高载流子浓度并改变石墨烯的费米能级位置，已成为扩展其应用的重要途经。

专利申请CN116354341A、CN116443866A等都需先制备石墨烯，再将掺杂气体或掺杂物质与事先制备的石墨烯进行混合，制备效率较低。专利CN104045075采用化学气相沉积法制备掺杂石墨烯，其制备的石墨烯薄膜需再次转移，过程繁琐，且不利于连续化制备。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种制备掺杂石墨烯的方法。本发明提供的方法另外添加催化剂，有效简化了掺杂石墨烯的生产工艺，提高了生产效率和降低了生产成本，可一步法连续制备单元素掺杂或多元素共掺杂的石墨烯材料。

本发明提供了一种制备掺杂石墨烯的装置，包括：

混气装置1；

进气口与所述混气装置1的出气口相连通的固态源仓2；

进料口与所述固态源仓2的出料口相连通的反应炉3；其中，所述固态源仓2与反应炉3之间的连接管道上还设置有流量计4和曝气器5；

进料口与所述反应炉3的出料口相连通的收集装置6；

进气口与所述收集装置6的出气口相连通的气体回收装置7；

其中，

所述固态源仓2内设置有加热系统2-1和料盘2-2；所述加热系统2-1还与温控装置2-3连接。

优选的，所述收集装置6中设置有石墨烯过滤器。

本发明还提供了一种制备掺杂石墨烯的方法，利用上述技术方案中所述的制备掺杂石墨烯的装置进行制备；所述制备的过程包括：

A)将金属催化剂置于反应炉3中，对反应炉3进行气体置换使其内部形成惰性气氛；然后对反应炉3加热使所述金属催化剂熔融而形成熔融金属；

B)进行步骤b1)、b2)或b3)：

b1)将含碳气体、载气和掺杂气态源通入混气装置1中进行混合形成混气，通过流量计4控制所述混气的流量，并经曝气器5曝气处理后从反应炉3的底部进入反应炉3与反应炉3中的熔融金属接触，其中，含碳气体在所述熔融金属的催化作用下裂解而产生石墨烯和氢气，且石墨烯被掺杂进掺杂元素，形成掺杂石墨烯；

或

b2)将含碳气体和载气通入混气装置1中进行混合形成混气，打开固态源仓2内的加热系统2-1来对料盘2-2中掺杂固态源进行加热，所述混气流经加热的固态源，通过流量计4控制流量，并经曝气器5曝气处理后从反应炉3的底部进入反应炉3与反应炉3中的熔融金属接触，其中，含碳气体在所述熔融金属的催化作用下裂解而产生石墨烯和氢气，且石墨烯被掺杂进掺杂元素，形成掺杂石墨烯；

或

b3)将含碳气体、载气和掺杂气态源通入混气装置1中进行混合形成混气，打开固态源仓2内的加热系统2-1来对料盘2-2中掺杂固态源进行加热，所述混气流经加热的固态源，通过流量计4控制流量，并经曝气器5曝气处理后从反应炉3的底部进入反应炉3与反应炉3中的熔融金属接触，其中，含碳气体在所述熔融金属的催化作用下裂解而产生石墨烯和氢气，且石墨烯被掺杂进掺杂元素，形成掺杂石墨烯；

C)所述掺杂石墨烯跟随氢气进入收集装置6，掺杂石墨烯在收集装置6中得到收集，得到掺杂石墨烯产品；所述氢气继续进入气体回收装置7中进行回收。

优选的，所述金属催化剂为铁、钴、镍、铜、铬、金、银、铂、锌、铝、铬、锰、钛、锡、镁、镓、铟和钯中的至少一种。

优选的，步骤A)中，所述加热的温度为900～1700℃。

优选的，步骤A)中，所述反应炉3的压力为-0.5～0.5MPa。

优选的，所述含碳气体为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、乙醇、丙烯、丙烷、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、苯和甲苯中的至少一种。

优选的，所述掺杂气态源为掺杂元素的气态物质来源；所述掺杂固态源为掺杂元素的固态物质来源；

其中，

所述掺杂元素为氮、硼、磷、氟、硫、氯、溴和碘中的至少一种。

优选的，所述加热系统2-1的加热温度为100～800℃。

优选的，所述载气为氢气或惰性气体。

本发明提供了一种制备掺杂石墨烯的装置及方法，通过将碳源、掺杂气态源或掺杂固态源与载气通过曝气器形成气泡通入熔融金属中，通过调节掺杂气体的种类及浓度或者固体的种类和重量，得到单元素或多元素掺杂的石墨烯，为现有技术提供一种有效制备掺杂石墨烯的手段。本发明方法可制备原位掺杂的石墨烯，不需另外添加催化剂，有效简化了掺杂石墨烯的生产工艺，可一步法连续制备单元素掺杂或多元素共掺杂的石墨烯材料。掺杂源可为气体或固体，扩大了掺杂范围，可进行多元素同时掺杂，且掺杂石墨烯的层数可调，掺杂元素及掺杂浓度易控制。本发明方法简单易行，效率高，掺杂均匀，稳定性高，可用于大规模生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的制备掺杂石墨烯的装置的示意图；

图2为本发明实施例4所得掺杂石墨烯的扫描电镜图；

图3为本发明实施例4所得掺杂石墨烯的激光拉曼光谱图；

图4为本发明实施例4所得掺杂石墨烯的X射线电子能谱图。

具体实施方式

本发明提供了一种制备掺杂石墨烯的装置，包括：

混气装置1；

进气口与所述混气装置1的出气口相连通的固态源仓2；

进料口与所述固态源仓2的出料口相连通的反应炉3；其中，所述固态源仓2与反应炉3之间的连接管道上还设置有流量计4和曝气器5；

进料口与所述反应炉3的出料口相连通的收集装置6；

进气口与所述收集装置6的出气口相连通的气体回收装置7；

其中，

所述固态源仓2内设置有加热系统2-1和料盘2-2；所述加热系统2-1还与温控装置2-3连接。

参见图1，图1为本发明提供的制备掺杂石墨烯的装置的示意图；其中，1为混气装置，2为固态源仓，2-1为加热系统，2-2为料盘，2-3为温控装置，3为反应炉，4为流量计，5为曝气器，6为收集装置，7为气体回收装置。

1为混气装置，用于接收含碳气体、载气和掺杂气态源，或者接收含碳气体和载气，并将所接收气体混合形成混气。

2为固态源仓，其进气口与所述混气装置1的出气口相连通。本发明中，所述固态源仓2内设置有加热系统2-1和料盘2-2；其中，加热系统2-1与料盘2-2连接，能够对料盘2-2进行加热。具体的，加热系统2-1固定连接于固态源仓2的底部，料盘2-2连接于加热系统2-1上。本发明中，所述加热系统2-1还与温控装置2-3连接，通过温控装置2-3对加热系统2-1进行温控。

3为反应炉，其进料口与所述固态源仓2的出料口相连通，主要用于接收来自混气装置1的物料或者接收来自混气装置1和固态源仓2的物料，并在反应炉内发生反应形成掺杂石墨烯。本发明中，在所述固态源仓2与反应炉3之间的连接管道上还设置有流量计4和曝气器5。具体的，流量计4设置在靠近固态源仓2的一端，曝气器5设置在靠近反应炉3的一端。更具体的，曝气器5设置在紧挨着反应炉3的底部，用于对混气曝气处理形成气泡直接从反应炉3底部进入。

6为收集装置，其进料口与所述反应炉3的出料口相连通；具体的，收集装置6的进料口与反应炉3的顶部出料口相连通，反应炉3内反应完毕后产生的产物(掺杂石墨烯和氢气)从顶部排出，进入收集装置6中。在本发明的一个实施例中，所述收集装置6中设置有石墨烯过滤器；具体的，掺杂石墨烯跟随氢气进入收集装置6中后，通过石墨烯过滤器将石墨烯类产品收集，剩余的气体则继续进入下一环节。

7为气体回收装置，其进气口与所述收集装置6的出气口相连通。收集装置6在收集掺杂石墨烯后，剩余的气体继续排出而进入气体回收装置7中进行回收。具体的，剩余气体进入气体回收装置7中经压缩后进行回收。

本发明还提供了一种制备掺杂石墨烯的方法，利用上述技术方案中所述的制备掺杂石墨烯的装置进行制备；所述制备的过程包括：

A)将金属催化剂置于反应炉3中，对反应炉3进行气体置换使其内部形成惰性气氛；然后对反应炉3加热使所述金属催化剂熔融而形成熔融金属；

B)进行步骤b1)、b2)或b3)：

b1)将含碳气体、载气和掺杂气态源通入混气装置1中进行混合形成混气，通过流量计4控制所述混气的流量，并经曝气器5曝气处理后从反应炉3的底部进入反应炉3与反应炉3中的熔融金属接触，其中，含碳气体在所述熔融金属的催化作用下裂解而产生石墨烯和氢气，且石墨烯被掺杂进掺杂元素，形成掺杂石墨烯；

或

b2)将含碳气体和载气通入混气装置1中进行混合形成混气，打开固态源仓2内的加热系统2-1来对料盘2-2中掺杂固态源进行加热，所述混气流经加热的固态源，通过流量计4控制流量，并经曝气器5曝气处理后从反应炉3的底部进入反应炉3与反应炉3中的熔融金属接触，其中，含碳气体在所述熔融金属的催化作用下裂解而产生石墨烯和氢气，且石墨烯被掺杂进掺杂元素，形成掺杂石墨烯；

或

b3)将含碳气体、载气和掺杂气态源通入混气装置1中进行混合形成混气，打开固态源仓2内的加热系统2-1来对料盘2-2中掺杂固态源进行加热，所述混气流经加热的固态源，通过流量计4控制流量，并经曝气器5曝气处理后从反应炉3的底部进入反应炉3与反应炉3中的熔融金属接触，其中，含碳气体在所述熔融金属的催化作用下裂解而产生石墨烯和氢气，且石墨烯被掺杂进掺杂元素，形成掺杂石墨烯；

C)所述掺杂石墨烯跟随氢气进入收集装置6，掺杂石墨烯在收集装置6中得到收集，得到掺杂石墨烯产品；所述氢气继续进入气体回收装置(7)中进行回收。

[关于步骤A]：

A)将金属催化剂置于反应炉3中，对反应炉3进行气体置换使其内部形成惰性气氛；然后对反应炉3加热使所述金属催化剂熔融而形成熔融金属。

本发明中，所述金属催化剂优选为铁、钴、镍、铜、铬、金、银、铂、锌、铝、铬、锰、钛、锡、镁、镓、铟和钯中的至少一种。

本发明中，将金属催化剂置于反应炉3后，对反应炉3进行气体置换使其内部形成惰性气氛。具体的，对反应炉3抽真空后再向反应炉3内通入惰性气体进行气体置换，或者直接向反应炉3中通入惰性气体进行气体置换；可置换多次，从而使反应炉3内形成惰性气氛。本发明对所述惰性气体的种类没有特殊限制，为本领域常规保护性气体即可，如氮气、氦气或氩气等。本发明中，优选采用载气中的惰性气体(后文所述的载气中也可为惰性气体)来进行气体置换。

本发明中，在对反应炉3进行气体置换使其内部形成惰性气氛后，对反应炉3加热使所述金属催化剂熔融而形成熔融金属。本发明中，所述加热的温度优选为900～1700℃，具体可为900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃、1700℃。所述反应炉3内的气压优选为-0.5～0.5MPa，具体可为-0.5MPa、-0.3MPa、-0.1MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa。

[关于步骤B]：

本发明中，步骤B)可通过三种方式实现，具体可通过步骤b1)、b2)或b3)实现。其中，步骤b1)是采用掺杂气态源，步骤b2)是采用掺杂固态源，步骤b3)是同时采用掺杂气态源和掺杂固态源。

本发明中，所述掺杂气态源为掺杂元素的气态物质来源；所述掺杂固态源为掺杂元素的固态物质来源。本发明中，将掺杂气态源和掺杂固态源统称为掺杂源。其中，所述掺杂元素优选为氮、硼、磷、氟、硫、氯、溴和碘中的至少一种。所述掺杂源为掺杂元素的单质或化合物。本发明中，掺杂元素为氮时，所述掺杂源为氨气、酚菁、胺类有机物、酷胺类有机物、腈类有机物、重氮化合物或偶氮类化合物。掺杂元素为硼时，所述掺杂源为硼烷或有机硼化物。掺杂元素为磷时，所述掺杂源为磷化物。掺杂元素为硫时，所述掺杂源为硫粉、噻吩、噻蒽或硫脲等。掺杂元素为氟时，掺杂源为氟气、氟甲烷、氟乙烷、氟乙烯、氟化钾或氟化锂等。掺杂元素为氯时，掺杂源为氯气、氯甲烷、氯乙烷或氯乙烯等。掺杂元素为溴时，掺杂源为溴气、溴甲烷或溴乙烯等。掺杂元素为碘时，掺杂源为碘气、碘甲烷、碘乙烷或碘乙烯等。

关于步骤b1)：

b1)将含碳气体、载气和掺杂气态源通入混气装置1中进行混合形成混气，通过流量计4控制所述混气的流量，并经曝气器5曝气处理后从反应炉3的底部进入反应炉3与反应炉3中的熔融金属接触，其中，含碳气体在所述熔融金属的催化作用下裂解而产生石墨烯和氢气，且石墨烯被掺杂进掺杂元素，形成掺杂石墨烯。

本发明中，所述含碳气体优选为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、乙醇、丙烯、丙烷、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、苯和甲苯中的至少一种。

本发明中，所述载体优选为氢气或惰性气体。其中，所述惰性气体的种类没有特殊限制，为本领域常规惰性气体即可，如氮气、氦气或氩气等。

本发明中，在向混气装置1中通入含碳气体、载气和掺杂气态源时，优选控制掺杂气态源体积为总气体体积的0.1％～5％，具体可为0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％；优选控制含碳气体体积为总气体体积的1％～10％，具体可为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％。

本发明中，含碳气体、载气和掺杂气态源通入混气装置1中进行混合形成混气，通过流量计4控制所述混气的流量，并经曝气器5曝气处理后从反应炉3的底部进入反应炉3与反应炉3中的熔融金属接触。其中，所述混气从混气装置1排出后，先流经固态源仓2(此时加热系统无需加热)，再流经流量计4来控制流量。其中，所述混气的流量优选控制在5～15m

本发明中，曝气后气体与反应炉3中的熔融金属接触后，含碳气体在熔融金属的催化作用下裂解而产生石墨烯和氢气，且在掺杂气态源存在的条件下，石墨烯被掺杂进掺杂元素，形成掺杂石墨烯。本发明可通过调节掺杂气态源的种类和浓度，得到单元素或多元素掺杂的石墨烯。

关于步骤b2)：

b2)将含碳气体和载气通入混气装置1中进行混合形成混气，打开固态源仓2内的加热系统2-1来对料盘2-2中掺杂固态源进行加热，所述混气流经加热的固态源，通过流量计4控制流量，并经曝气器5曝气处理后从反应炉3的底部进入反应炉3与反应炉3中的熔融金属接触，其中，含碳气体在所述熔融金属的催化作用下裂解而产生石墨烯和氢气，且石墨烯被掺杂进掺杂元素，形成掺杂石墨烯。

本发明中，所述含碳气体优选为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、乙醇、丙烯、丙烷、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、苯和甲苯中的至少一种。

本发明中，所述载体优选为氢气或惰性气体。其中，所述惰性气体的种类没有特殊限制，为本领域常规惰性气体即可，如氮气、氦气或氩气等。

本发明中，在向混气装置1中通入含碳气体和载气时，优选控制含碳气体体积为总气体体积的1％～10％，具体可为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％。

本发明中，将含碳气体和载气通入混气装置1中进行混合形成混气，并且打开固态源仓2内的加热系统2-1来对料盘2-2中的掺杂固态源进行加热使掺杂固态源形成气相，所述混气流经加热的固态源带走已转变成气相的掺杂源，一起通过流量计4控制流量。其中，所述掺杂固态源的质量∶所通入含碳气体的体积比优选为1g∶(0.05～1.0)L。所述加热2-1的加热温度优选为100～800℃，具体可为100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃。之后，气体进入曝气器5进行曝气处理而形成气泡并从反应炉3的底部进入反应炉3与反应炉3中的预先已熔融的金属接触。

本发明中，曝气后气体与反应炉3中的熔融金属接触后，含碳气体在熔融金属的催化作用下裂解而产生石墨烯和氢气，且在掺杂源存在的条件下，石墨烯被掺杂进掺杂元素，形成掺杂石墨烯。

关于步骤b3)：

b3)将含碳气体、载气和掺杂气态源通入混气装置1中进行混合形成混气，打开固态源仓2内的加热系统2-1来对料盘2-2中掺杂固态源进行加热，所述混气流经加热的固态源，通过流量计4控制流量，并经曝气器5曝气处理后从反应炉3的底部进入反应炉3与反应炉3中的熔融金属接触，其中，含碳气体在所述熔融金属的催化作用下裂解而产生石墨烯和氢气，且石墨烯被掺杂进掺杂元素，形成掺杂石墨烯。

本发明中，所述含碳气体优选为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、乙醇、丙烯、丙烷、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、苯和甲苯中的至少一种。

本发明中，所述载体优选为氢气或惰性气体。其中，所述惰性气体的种类没有特殊限制，为本领域常规惰性气体即可，如氮气、氦气或氩气等。

本发明中，在向混气装置1中通入含碳气体、载气和掺杂气态源时，优选控制掺杂气态源体积为总气体体积的0.1％～5％，具体可为0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％；优选控制含碳气体体积为总气体体积的1％～10％，具体可为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％。

本发明中，含碳气体、载气和掺杂气态源通入混气装置1中进行混合形成混气，并且打开固态源仓2内的加热系统2-1来对料盘2-2中的掺杂固态源进行加热使掺杂固态源形成气相，所述混气流经加热的固态源带走已转变成气相的掺杂源，一起通过流量计4控制流量。其中，所述掺杂固态源的质量∶所通入含碳气体的体积比优选为1g∶(0.05～1.0)L。所述加热2-1的加热温度优选为100～800℃，具体可为100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃。之后，气体进入曝气器5进行曝气处理而形成气泡并从反应炉3的底部进入反应炉3与反应炉3中的预先已熔融的金属接触。

本发明中，曝气后气体与反应炉3中的熔融金属接触后，含碳气体在熔融金属的催化作用下裂解而产生石墨烯和氢气，且在掺杂源存在的条件下，石墨烯被掺杂进掺杂元素，形成掺杂石墨烯。

[关于步骤C]：

C)所述掺杂石墨烯跟随氢气进入收集装置6，掺杂石墨烯在收集装置6中得到收集，得到掺杂石墨烯产品；所述氢气继续进入气体回收装置7中进行回收。

本发明中，在步骤B)处理后，反应炉3中形成掺杂石墨烯和氢气，所述掺杂石墨烯跟随氢气进入收集装置6，掺杂石墨烯在收集装置6中得到收集，得到掺杂石墨烯产品。具体的，掺杂石墨烯在收集装置6中通过过滤器进行过滤收集，而得到掺杂石墨烯。掺杂石墨烯在收集装置6中得到收集后，剩余气体(氢气)则继续进入气体回收装置7中进行回收。具体的，剩余气体进入气体回收装置7中经压缩后进行回收。

本发明提供了一种制备掺杂石墨烯的装置及方法，通过将碳源、掺杂气态源或掺杂固态源与载气通过曝气器形成气泡通入熔融金属中，通过调节掺杂气体的种类及浓度或者固体的种类和重量，得到单元素或多元素掺杂的石墨烯，为现有技术提供一种有效制备掺杂石墨烯的手段。本发明方法可制备原位掺杂的石墨烯，不需另外添加催化剂，有效简化了掺杂石墨烯的生产工艺，可一步法连续制备单元素掺杂或多元素共掺杂的石墨烯材料。掺杂源可为气体或固体，扩大了掺杂范围，可进行多元素同时掺杂，且掺杂石墨烯的层数可调，掺杂元素及掺杂浓度易控制。本发明方法简单易行，效率高，掺杂均匀，稳定性高，可用于大规模生产。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

对比例1：制备石墨烯

A)将10L铜金属催化剂置于反应炉3中，对反应炉3进行气体置换使其内部形成惰性气氛；然后，加热到1200℃(反应炉3压力为0.01MPa)使金属熔融。

B)打开含碳气体甲烷与载气氢气的进气开关，向混气装置1中通入甲烷(0.5m

C)石墨烯跟随氢气进入收集装置6，石墨烯在收集装置6中过滤收集，得到石墨烯产品；氢气继续进入气体回收装置7中经压缩后进行回收。

产品测试：

对所得石墨烯产品进行拉曼光谱分析，结果显示，石墨烯的拉曼光谱中有两个主峰，G峰在1580cm

实施例1：气态源制备掺杂石墨烯

A)将10L铜金属催化剂置于反应炉3中，对反应炉3进行气体置换使其内部形成惰性气氛；然后，加热到1300℃(反应炉3压力为0.02MPa)使金属熔融。

B)打开含碳气体甲烷、载气氢气的进气开关，同时通入氨气掺杂气态源，在混气装置1中将三者混匀均匀，此时加热系统2-1无需加热，混气通过流量计4调节进气流量(控制进气总流量为10m

C)N掺杂石墨烯跟随氢气进入收集装置6，石墨烯在收集装置6中过滤收集，得到N掺杂石墨烯产品；氢气继续进入气体回收装置7中经压缩后进行回收。

产品测试：

对所得掺杂石墨烯进行激光拉曼光谱检测，结果其ID/IG为0.23，相比对比例1的纯石墨烯，实施例1产品的ID/IG明显增大，缺陷密度明显升高，体现了其掺杂产品的成功制备。

实施例2：气态源制备掺杂石墨烯

A)将7L铜和3L镍金属催化剂置于反应炉3中，对反应炉3进行气体置换使其内部形成惰性气氛；然后，加热到1600℃(反应炉3压力为0.05MPa)使金属熔融。

B)打开含碳气体甲烷、载气氩气的进气开关，同时通入氨气和乙硼烷掺杂气态源，在混气装置1中将其混匀均匀，此时加热系统2-1无需加热，混气通过流量计4调节进气流量(控制进气总流量为10m

C)N-B掺杂石墨烯跟随氢气进入收集装置6，石墨烯在收集装置6中过滤收集，得到N-B掺杂石墨烯产品；氢气继续进入气体回收装置7中经压缩后进行回收。

产品测试：

对所得掺杂石墨烯进行激光拉曼光谱检测，结果其ID/IG为0.35。

实施例3：固态源制备掺杂石墨烯

A)将10L铜金属催化剂置于反应炉3中，对反应炉3进行气体置换使其内部形成惰性气氛；然后，加热到1400℃(反应炉3压力为0.04MPa)使金属熔融。

B)打开含碳气体甲烷、载气氢气的进气开关，在混气装置1中将二者混匀均匀形成混气，打开加热系统2-1加热料盘2-2中的掺杂固态源(加热温度为120℃，料盘2-2中已预先放置了掺杂固态源噻蒽3g)使掺杂固态源形成气相，所述混气流经加热的固态源带走已转变成气相的掺杂源，一起通过流量计4控制流量(进气总流量为10m

C)N-S掺杂石墨烯跟随氢气进入收集装置6，石墨烯在收集装置6中过滤收集，得到N-S掺杂石墨烯产品；氢气继续进入气体回收装置7中经压缩后进行回收。

产品测试：

对所得掺杂石墨烯进行激光拉曼光谱检测，结果其ID/IG为0.33。

实施例4：气态源和固态源共同制备掺杂石墨烯

A)将7L铜和3L镍金属催化剂置于反应炉3中，对反应炉3进行气体置换使其内部形成惰性气氛；然后，加热到1550℃(反应炉3压力为0.1MPa)使金属熔融。

B)打开含碳气体甲烷、载气氩气的进气开关，同时通入氨气掺杂气态源，在混气装置1中将其混匀均匀形成混气，打开加热系统2-1加热料盘2-2中的掺杂固态源(加热温度为150℃，料盘2-2中已预先放置了掺杂固态源噻蒽3g)使掺杂固态源形成气相，所述混气流经加热的固态源带走已转变成气相的掺杂源，一起通过流量计4控制流量(进气总流量为10m

C)N-S掺杂石墨烯跟随氢气进入收集装置6，石墨烯在收集装置6中过滤收集，得到N-S掺杂石墨烯产品；氢气继续进入气体回收装置7中经压缩后进行回收。

产品测试：

对所得掺杂石墨烯进行扫描电镜表征，结果如图2所示。

对所得掺杂石墨烯进行激光拉曼光谱检测，结果如图3所示。由图2-3可以表示所得产品为石墨烯产品，且其ID/IG为0.41。对所得掺杂石墨烯进行多次拉曼测试，测试结果基本一致，证明其掺杂均匀。

对所得掺杂石墨烯进行X射线电子能谱测试，结果如图4所示，结果显示石墨烯中掺杂了N,S元素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有近似于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。