一种高性能氮掺杂石墨烯的制备方法

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，具体涉及一种高性能氮掺杂石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维平面结构，碳原子的四个价电子中的三个以sp

石墨烯特殊的二维结构决定了它具有独特而丰富的性能：石墨烯具有极高的强度和热导性，石墨烯的杨氏模量可达1TPa、导热率可达5300W/mK；另外，石墨烯表现出良好的导电性和极高的电子迁移率、非线性光学性质以及室温下的量子霍尔效应。这些独特而优异的性能决定了石墨烯具有广泛的应用，比如石墨烯在太阳能电池、场效应晶体管、场发射材料、触摸屏、灵敏传感器、超级电容和复合材料等诸多领域有潜在的应用前景。

要实现石墨烯非凡的物理性能在材料中的潜在应用，离不开高质量、低成本、大规模石墨烯的制备。目前，石墨烯粉体的制备方法主要有：石墨粉体在溶剂中超声剥离方法，该方法可以进行大规模的粉体制备，但是获得的石墨烯片层较厚，不能很好得体现出石墨烯本身的性能；石墨粉体经过氧化后还原得到石墨烯，该方法也可以实现石墨烯粉体的大规模制备，但是制备得到的石墨烯粉体中含有比较多的含氧官能团，同时，石墨烯完整的晶格结构也遭到了破坏，导致导电性和导热性降低，从而影响了石墨烯优异性能的发挥。近来研究证明，石墨烯掺杂可以有效地提高石墨烯的导电性，为了提高氧化还原制备得到的石墨烯粉体的性能，亟待研发一种大规模制备高性能氮掺杂石墨烯材料的方法。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种高性能氮掺杂石墨烯的制备方法，以克服现有技术制备石墨烯材料技术上的不足。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种高性能氮掺杂石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

S1、将石墨粉末置于液氦中，然后在100℃下放置直至液氦完全汽化；

S2、至少重复步骤S1三次，然后使用高温氦气气流研磨剥离石墨粉末1-5小时，得到薄层石墨烯；

S3、向有机溶剂中依次加入分散剂和薄层石墨烯，得到氧化石墨烯分散液，其中薄层石墨烯与分散剂的质量比为(0.1-3)：1；

S4、将氧化石墨烯分散液与氮源的混合溶液经过搅拌或超声操作，再进行热处理，得到氮掺杂石墨烯。

可选地，所述步骤S1中，石墨粉末置于液氦中，需对其密封后进行超声分散两小时，所使用的超声分散功率在500-1000W之间。

可选地，所述步骤S2中，所述薄层石墨烯的细度为0.5-5μm，片层厚度为1-5层，比表面积为100m

可选地，所述步骤S3中，所述分散剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、羟甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮和聚烷氧基醚酯中一种或多种的组合。

可选地，所述步骤S3中，所述有机溶剂为二甲苯、乙醇、正丁醇、N-甲基吡咯烷酮和N,N-二甲基甲酰胺中一种或多种的组合。

可选地，所述步骤S4中，所述氮源的混合溶液包括水、乙醇、甲醇、苯、甲苯、二甲苯、苯甲醚、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二氯甲烷、氯仿、二硫化碳和N-甲基吡咯烷酮中一种或者多种的组合，其浓度为0.1-10mol/L。

可选地，所述步骤S4中，所述热处理的温度范围为250-350℃。

可选地，所述步骤S4中，进行所述热处理反应时添加三聚氯氰。

本发明的有益效果：

1、利用液氦高温下迅速汽化过程中体积膨胀千倍使石墨粉末的层间距变大，简便易行，为石墨粉末的研磨剥离做好了充分准备；通过高温氦气气流进行研磨剥离，不存在工具的损耗，无污染，成功将干法研磨剥离企及的细度极限延伸到了亚微米级，利于得到1-5层薄层石墨烯；具有纯度高，低缺陷的优点，使得石墨烯纯度高，导电导热性能好，安全有效，对环境友好。

2、分散剂的设置，具有粒度分布均匀、储存稳定性好、与树脂相容性好等特点，且制备方法简单，成本低，适用于工业化生产。

3、本方案可实现大规模制备氮掺杂石墨烯粉体的石墨烯粉体、操作简单、制备条件温和，制备得到的氮掺杂石墨烯粉体具有优良的性能，可以广泛用于制备石墨烯器件、超级电容器和锂离子电池等领域。

4、三聚氯氰的设置，可以使产物的氮原子掺杂量(原子百分数)提高至16.4％,进一步提高氮掺杂石墨烯的性能。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考实施例来详细说明本申请。

一种高性能氮掺杂石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

S1、将石墨粉末置于液氦中，其密封后进行超声分散两小时，在本实施例中选用超声细胞破碎机进行分散，功率在500-1000W之间，然后在100℃下放置直至液氦完全汽化；

S2、至少重复步骤S1三次，然后使用高温氦气气流研磨剥离石墨粉末1-5小时，得到薄层石墨烯，具体地，该薄层石墨烯的细度为0.5-5μm，片层厚度为1-5层，比表面积为100m

S3、向有机溶剂中依次加入分散剂和薄层石墨烯，得到氧化石墨烯分散液，其中薄层石墨烯与分散剂的质量比为(0.1-3)：1；

其中，分散剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、羟甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮和聚烷氧基醚酯中一种或多种的组合；

有机溶剂为二甲苯、乙醇、正丁醇、N-甲基吡咯烷酮和N,N-二甲基甲酰胺中一种或多种的组合；

S4、将氧化石墨烯分散液与氮源的混合溶液经过搅拌或超声操作，再添加三聚氯氰进行热处理，具体地，热处理的温度范围为250-350℃，得到氮掺杂石墨烯；

其中，氮源的混合溶液包括水、乙醇、甲醇、苯、甲苯、二甲苯、苯甲醚、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二氯甲烷、氯仿、二硫化碳和N-甲基吡咯烷酮中一种或者多种的组合，其浓度为0.1-10mol/L。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。