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

摘要

本发明公开一种提高石墨烯材料质量比电容的方法，在保持石墨烯高比表面积和单层结构的情况下，通过氮原子在石墨烯体内进行替位掺杂，改变石墨烯的电子能带结构，增加电子态密度和载流子浓度，具体步骤为：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。采用本发明所得氮掺杂石墨烯含氮量高、比表面积大、比电容高，本发明提供的方法过程简单，氮含量稳定、环保且产率高。

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。

一种提高石墨烯材料质量比电容的方法，在保持石墨烯高比表面积和单层结构的情况下，通过氮原子在石墨烯体内进行替位掺杂，改变石墨烯的电子能带结构，增加电子态密度和载流子浓度，具体步骤为：

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。

本发明所述的氮原子替位掺杂的石墨烯可用于超级电容，锂离子电池或燃料电池。

本发明所得氮原子替位掺杂的石墨烯的性能可参见附图中的图谱及照片，分析如下：

1、图1、2分别是C和N的能谱图，从图1可以看出C峰较窄且处于sp2常见的284.5eV附近，说明其中其他形式的碳（例如sp3杂化的碳）含量较少，氮掺杂后的石墨烯仍为单层结构存在。图2的N峰在398.2eV和 399.3 eV附近有两个峰，说明N的形式主要是吡啶型（N-6）和吡咯型（N-5）。

2、由附图3可以看出，本发明所制备的石墨烯具有明显的褶皱和孔洞，保证了所制备石墨烯材料具有较大的比表面积和高的孔隙率，而且并没有改变石墨烯的基本结构。

3、由图4、5可以看出本发明所制备石墨烯用于超级电容器电极材料，在水系和有机系电解液中保持较好的矩形，均无氧化还原峰，说明制备过程中没有引入其他官能团。

本发明的原理：

石墨烯是零带隙半导体，具备独特的载流子特性和优异的电学质量。其电子和蜂窝状晶体结构周期势的相互作用产生了一种准粒子，即零质量的狄拉克-费米子，具有类似于光子的特性。石墨烯的电子特性可以用传统的紧束缚模型来描述，在这个模型中，电子能量与波数可以用                                                表示，r₀=2.8eV为最紧邻跃迁能量，a为晶格常数。单层石墨烯的载流子浓度不高，在室温下具有极高的迁移率，这使得它能够很容易的通过场效应和门电压来调节它的化学势和载流子浓度。对于单层石墨烯来说，其载流子表现为无质量的狄拉克费米子，朗道能级为， ，由此可见通过改变能级可以提高石墨烯的电子储容量。

对于超级电容器来说，超级电容器的总电容、量子电容、双电层电容三者之间的关系符合的关系。C_EDL取决于超级电容器电极材料，而对于一些多孔性且具有较高比表面积的炭材料来说，量子电容C_Q是制约超级电容器比电容的关键因素。

量子电容是指由石墨烯中电子、空穴所产生的电容量， 。载流子浓度是单位体积的载流子数目，石墨烯的载流子浓度来自其本征静电势， ，其中V_ch是石墨烯的电势，v_F是狄拉克-费米子速度，h是普朗克常数。因此，量子电容C_Q与载流子浓度n_Q的关系符合。而对于比表面积在2000m²/g以上的石墨烯来说基本接近单层结构，因此载流子浓度的增加，能够显著提高量子电容，进而增大石墨烯材料的比电容。

本发明的思路是对石墨烯通过氮掺杂改变其电子能带结构，提高其本征载流子浓度，从而增大器量子电容，进而在单层具有高比表面积的碳材料中增大其比电容。

本发明在惰性环境下，将氧化石墨烯与活化剂充分混合，然后将混合物进行高温处理以除去其含中的氧官能团，研究发现，石墨烯在活化的同时，其碳碳键打开，更有利于氮原子的替位掺杂，有利于进行SP2氮掺杂，制备出结构仍为单层的氮原子替位掺杂的石墨烯。在这种二维石墨烯薄片中，单个氮原子取代了碳原子的位置，每个氮原子提供的额外电子，增大了石墨烯的载流子浓度；氮掺杂改变了石墨烯薄片的电子特性，但不会干扰它的基本结构。活化剂的加入能够保证所得石墨烯具有较大的比表面积，同时并没有引入其他官能团，避免了赝电容的存在，同时保证了氮的稳定性。

本发明的有益效果：

（1）本发明所得石墨烯材料不仅能够保持大的比表面积，而且氮掺杂到单层石墨烯上能够有效提高石墨烯的载流子浓度，增大其量子电容量，从而增大比电容量；而且没有引入外加官能团，避免了赝电容的存在；

（2）本发明工艺未采用有毒有害的化学试剂，避免了大量使用化学试剂，对环境污染小，适用于基于各种方法制备的氧化石墨烯各种粉体的还原掺杂；

（3）本发明还原掺杂时间短（最短5min），操作简单，活化与掺氮还原反应一步完成，条件易控，产量高，适于工业化大批量生产；

（4）本发明能够实现氧化石墨烯材料的高质量还原，所得氮掺杂的石墨烯仍为单层结构，且掺氮量稳定，掺氮量在0.1%-21.5%之间，可以将含氧官能团完全去除并保持稳定的掺氮量，稳定的掺氮量有利于材料的重复和所需含氮量的控制，满足不同的要求。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明掺氮量为实施例1中8wt%的石墨烯于284.5 eV附近C的能谱图谱；

图2是本发明掺氮量为实施例1中8wt%的石墨烯于399.1 eV附近N的能谱图谱；

 图3是本发明掺氮量为实施例1中8wt%的石墨烯的SEM图谱；

图4是本发明掺氮量为实施例1中8wt%的石墨烯作为电极材料制备超级电容器时，以1M TEABF4/PC作为电解液的循环伏安曲线；

图5是本发明掺氮量为实施例1中8wt%的石墨烯作为电极材料制备超级电容器时，以6M KOH作为电解液的循环伏安曲线。

图6是本发明掺氮量为实施例2中6wt%的石墨烯于284.5 eV附近C的能谱图谱；

图7是本发明掺氮量为实施例2中6wt%的石墨烯于399.1 eV附近N的能谱图谱；

图8是本发明掺氮量为实施例2中6wt%的石墨烯的SEM图谱；

图9是本发明掺氮量为实施例2中6wt%的石墨烯作为电极材料制备超级电容器时，以1M TEABF4/PC作为电解液的循环伏安曲线；

图10是本发明掺氮量为实施例2中6wt%的石墨烯作为电极材料制备超级电容器时，以6M KOH作为电解液的循环伏安曲线。

图11是本发明掺氮量为实施例3中9wt%的石墨烯于284.5 eV附近C的能谱图谱；

图12是本发明掺氮量为实施例3中9wt%的石墨烯于399.1 eV附近N的能谱图谱；

图13是本发明掺氮量为实施例3中9wt%的石墨烯的SEM图谱；

图14是本发明掺氮量为实施例3中9wt%的石墨烯作为电极材料制备超级电容器时，以1M TEABF4/PC作为电解液的循环伏安曲线；

图15是本发明掺氮量为实施例3中9wt%的石墨烯作为电极材料制备超级电容器时，以6M KOH作为电解液的循环伏安曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

 

实施例1：

一种氮原子替位掺杂的石墨烯，含氮量8%，比表面为2970.8m²/g。

其制备方法是在对石墨烯活化的同时进同氮掺杂还原反应，具体操作如下：：

1、取Hummers法制备的氧化石墨，经微波剥离后得到氧化石墨烯粉末；

2、然后称量500mg氧化石墨烯粉末溶于25ml 0.1g/mL的KOH溶液中，充分搅拌、干燥；

3、将氧化石墨烯-KOH混合物置于真空管式炉内，抽去炉内空气后，以150cm³/min的流量向真空管式炉中通入纯度是99.99%的氩气，在惰性气氛的环境中，先升温至800℃，保持温度不变，再以50cm³/min的流量通入氨气，在800℃高温下反应10分钟；

4、反应完成后自然降温至室温，洗涤、干燥，得到氮原子替位掺杂的石墨烯。

所得石墨烯材料在超级电容器中的应用，以1M TEABF₄/PC作为电解液其比电容量为261.0F/g，以6M KOH作为电解液比电容量为368.3F/g。

所得氮原子替位掺杂的石墨烯的XPS图谱见图1、图2；SEM图谱见图3；其作为电极的性能见图4、图5。

 

实施例2：

一种氮原子替位掺杂的石墨烯，含氮量6%，比表面为2110.6m²/g。

其制备方法是在对石墨烯活化的同时进同氮掺杂还原反应，具体操作如下：

1、取Hummers法制备的氧化石墨，经微波剥离后得到氧化石墨烯粉末；

2、然后称量300mg氧化石墨烯粉末溶于20ml 0.6g/mL的KOH溶液中，充分搅拌、干燥；

3、将氧化石墨烯-KOH混合物置于真空管式炉内，抽去炉内空气后，以80cm³/min的流量向真空管式炉中通入纯度是99.99%的氩气，先升温至1000℃，保持温度不变，再以20cm³/min的流量通入氨气，在1000℃高温下反应5分钟；

4、反应完成后自然降温至室温，洗涤、干燥，得到氮原子替位掺杂的石墨烯。

所得石墨烯材料在超级电容器中的应用，以1M TEABF4/PC 作为电解液中其比电容量为200.7F/g，以6M KOH作为电解液中比电容量为241.2F/g。

所得氮原子替位掺杂的石墨烯的XPS图谱见图6、图7；SEM图谱见图8；其作为电极的性能见图9、图10。

 

实施例3：

一种氮原子替位掺杂的石墨烯，含氮量9%，比表面为2300.3m²/g。

其制备方法是在对石墨烯活化的同时进同氮掺杂还原反应，具体操作如下：

1、取Hummers法制备的氧化石墨，经微波剥离后得到氧化石墨烯粉末；

2、然后称量350mg氧化石墨烯粉末溶于20ml 1.4g/mL的KOH溶液中，充分搅拌、干燥；

3、将氧化石墨烯-KOH混合物置于真空管式炉内，以180cm³/min的流量向真空管式炉中通入纯度是99.999%的氮气，先升温至900℃，保持温度不变，再以100cm³/min的流量通入氨气，在900℃高温下煅烧10分钟；

4、反应完成后自然降温至室温，洗涤、干燥，得到氮原子替位掺杂的石墨烯。

所得石墨烯材料在超级电容器中的应用，以1M TEABF₄/PC 作为电解液比电容量为240.5F/g，以6M KOH作为电解液中比电容量为298.3F/g。

所得氮原子替位掺杂的石墨烯的XPS图谱见图11、图12；SEM图谱见图13；其作为电极的性能见图14、图15。

 

实施例4：

一种氮原子替位掺杂的石墨烯，含氮量10%，比表面为2300.3m²/g。

其制备方法是在对石墨烯活化的同时进同氮掺杂还原反应，具体操作如下：：

1、取Staudenmaier法制备的氧化石墨，经微波剥离后得到氧化石墨烯粉末；

2、然后称量350mg氧化石墨烯粉末溶于20ml 1.4g/mL的KOH溶液中，充分搅拌、干燥；

3、将氧化石墨烯-KOH混合物置于真空管式炉内，向真空管式炉中通入纯度是99.99%的氩气，先升温至700℃，保持温度不变，再以10m³/h的流量通入氨气，在700℃高温下煅烧20分钟；

4、反应完成后自然降温至室温，洗涤、干燥，得到氮原子替位掺杂的石墨烯。

所得石墨烯材料在超级电容器中的应用，以1M TEABF₄/PC 作为电解液比电容量为240.5F/g，以6M KOH作为电解液中比电容量为298.3F/g。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。