專利名稱：一種氮摻雜石墨烯的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種氮摻雜石墨烯的制備方法，具體地說(shuō)涉及一種由爆炸引發(fā)的制備
氮雜石墨烯的方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是單原子厚度的二維碳原子晶體，為目前人工制得的最薄物質(zhì)，它被認(rèn)為 是形成富勒烯、碳納米管和石墨的基本結(jié)構(gòu)單元。自由態(tài)的二維晶體結(jié)構(gòu)一直被認(rèn)為熱力 學(xué)不穩(wěn)定，不能在普通環(huán)境中獨(dú)立存在。直至2004年，曼徹斯特大學(xué)Geim等采用撕膠帶法 從石墨上剝下少量石墨烯單片，實(shí)現(xiàn)了其在空氣中的無(wú)支撐懸浮，才將這一量子相對(duì)論"概 念"材料轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。 研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有特殊的電磁特性。例如，高電子遷移率(室溫下oh> 15， 000cm2V-1 s—0 ，最低導(dǎo)電率(4e7h)，反常的量子霍爾效應(yīng)，小的自旋軌道交互作用 等。石墨烯具有極高的機(jī)械性能，并已被證實(shí)為目前世界上強(qiáng)度最大的物質(zhì)(拉伸模 量E " 1.01TPa和極限強(qiáng)度o "130GPa)。另外，石墨烯還具有熱導(dǎo)率高和比表面積大 (2630m7g)等優(yōu)點(diǎn)。依托特殊的二維結(jié)構(gòu)、高電/熱導(dǎo)率、開關(guān)效應(yīng)及低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，石墨 烯可廣泛應(yīng)用于單分子探測(cè)器、集成電路、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等量子器件。摻雜是一種常用的方 法來(lái)調(diào)整半導(dǎo)體材料的電子特性，理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，石墨烯經(jīng)N摻雜后能帶結(jié)構(gòu)會(huì)有 調(diào)整，因此與純石墨烯相比氮雜石墨烯的應(yīng)用范圍將大大擴(kuò)展。 氮雜石墨烯應(yīng)用能否得以實(shí)現(xiàn)，取決于其大規(guī)模制備技術(shù)的發(fā)展革新。目前文獻(xiàn) 報(bào)道的氮雜石墨烯的制備方法只有化學(xué)氣相沉積法(CVD法)、NH3電熱退火法和NH3原位 電化學(xué)還原氧化石墨法三種?；瘜W(xué)氣相沉積法可以實(shí)現(xiàn)石墨烯片層內(nèi)的摻雜，但是由于沉 積時(shí)間是控制合成石墨烯的關(guān)鍵，通常只能在很短的時(shí)間內(nèi)在基地上沉積制備出薄層石墨 烯片，因此該方法制備的產(chǎn)量很少。電化學(xué)方法制備的N雜石墨烯，氮元素都存在于石墨烯 片層的邊緣，沒(méi)有進(jìn)入石墨烯片層內(nèi)，此外該方法制備過(guò)程較為復(fù)雜。 爆炸法通過(guò)選擇合適的前驅(qū)體反應(yīng)物，調(diào)變反應(yīng)條件，能夠方便的得到多種形貌 和結(jié)構(gòu)的碳納米材料，是一種有效合成碳納米材料的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備方便，成本低，可規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)的氮雜石墨烯的 制備方法。 本發(fā)明的制備方法是 (1)將含硝基有機(jī)爆炸物及含碳和氮添加物按重量比為含碳和氮添加物含硝基
有機(jī)爆炸物=l:i-5; (2)將反應(yīng)物以O(shè). 06-0. 25克/毫升的裝填密度裝入一密封的不銹鋼反應(yīng)器，加熱 到220-42(TC發(fā)生爆炸，待反應(yīng)器冷卻后，排空氣體，收集固體產(chǎn)物。 如上所述含硝基有機(jī)爆炸物包括苦味酸、間二硝基苯、梯恩梯等；含碳和氮添加物包括三聚氯氰、鄰菲啰啉、硝基苯等。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn) (1)所用炸藥及其他原料廉價(jià)易得，有利于降低成本。
(2)可在較低的溫度下操作，能耗低。
(3)合成的氮雜石墨烯是在爆炸過(guò)程中原位摻雜的，制備方法簡(jiǎn)便易行。
(4)合成的氮雜石墨烯含量高，一般在80-95% ;石墨烯片厚從0. 34nm-10nm范圍 內(nèi)，石墨烯片大小一般在幾百納米到幾微米范圍內(nèi)。
(5)反應(yīng)所需時(shí)間較短，有利于快速合成。 (6)合成反應(yīng)工藝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，影響因素少，便于控制，重現(xiàn)性好，可連續(xù)化或 半連續(xù)化操作，易于規(guī)?；a(chǎn)。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)驗(yàn)中所使用的分析方法包括透射電鏡、掃描電鏡、原子力顯微鏡、X射線光電
子能譜、拉曼光譜和元素分析等。
實(shí)施例1 稱取1. 0克苦味酸和1. 0克三聚氯氰，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加 熱至32(TC發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)20MPa，平衡壓力為lOMPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài) 產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品中O. 15克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外還 有少量的碳納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為80%，厚度分布為0. 34-10nm。
實(shí)施例2 稱取1. 5克苦味酸和1. 0克三聚氯氰，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加 熱至32(TC發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)30MPa，平衡壓力為15MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài) 產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品中O. 12克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外還 有少量的碳納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為85%，厚度分布為0. 34-10nm。
實(shí)施例3 稱取2. 0克苦味酸和1. 0克三聚氯氰，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加 熱至32(TC發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)40MPa，平衡壓力為20MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài) 產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品中O. l克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外還有 少量的碳納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為90%，厚度分布為0. 34-10nm。
實(shí)施例4 稱取2. 5克苦味酸和1. 0克三聚氯氰，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加 熱至32(TC發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)60MPa，平衡壓力為30MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài) 產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品中0.08克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外還 有少量的碳納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為95%，厚度分布為0. 34-10nm。
實(shí)施例5 稱取2. 5克苦味酸和2. 5克三聚氯氰，混合均勻，裝入體積為IO毫升的反應(yīng)器。加 熱至42(TC發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)60MPa，平衡壓力為30MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài) 產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品中O. 15克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外還 有少量的碳納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為60%，厚度分布為0. 34-10nm。
實(shí)施例6 稱取3. 0克苦味酸和0. 6克三聚氯氰，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加 熱至32(TC發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)60MPa，平衡壓力為30MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài) 產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品中0.04克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外還 有少量的碳納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為40%，厚度分布為0. 34-10nm。
實(shí)施例7 稱取2. 5克梯恩梯和1. 0克三聚氯氰，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加 熱至32(TC發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)60MPa，平衡壓力為30MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài) 產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品中0.08克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外還 有少量的碳納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為95%，厚度分布為l-10nm。
實(shí)施例8 稱取2. 5克二硝基苯和1. 0克三聚氯氰，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。 加熱至32(TC發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)60MPa，平衡壓力為30MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣 態(tài)產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品中0.08克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外 還有少量的碳納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為95%，厚度分布為l-10nm。
實(shí)施例9 稱量2. 5克苦味酸和0. 5ml硝基苯，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至320°C 發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)60MPa，平衡壓力為30MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài)產(chǎn)物排出， 收集固體產(chǎn)品，所得樣品中0. 1克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外還有少量的碳 納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為60%，厚度分布為0. 34-10nm。
實(shí)施例10 稱量2. 5克二硝基苯和0. 5ml硝基苯，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至320°C 發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)60MPa，平衡壓力為30MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài)產(chǎn)物排出， 收集固體產(chǎn)品，所得樣品中0. 1克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外還有少量的碳 納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為55%，厚度分布為l-10nm。
實(shí)施例11 稱取2. 5克苦味酸和0. 5克鄰菲啰啉，混合均勻，裝入體積為IO毫升的反應(yīng)器。加 熱至32(TC發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)60MPa，平衡壓力為30MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài) 產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品中0.3克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外還有 少量的碳納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為60%，厚度分布為0. 34-10nm。
實(shí)施例12 稱取2. 5克苦味酸和1. 2克三聚氯氰，混合均勻，裝入體積為IO毫升的反應(yīng)器。加 熱至22(TC發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)60MPa，平衡壓力為30MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài) 產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品中O. 115克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外還 有少量的碳納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為95%，厚度分布為0. 34-10nm。
實(shí)施例13 稱取2. 5克苦味酸和0. 7克三聚氯氰，混合均勻，裝入體積為IO毫升的反應(yīng)器。加 熱至32(TC發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)60MPa，平衡壓力為30MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài) 產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品中0.03克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外還有少量的碳納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為80%，厚度分布為0. 34-10nm。
實(shí)施例14 稱取2. 5克苦味酸和1. 5克三聚氯氰，混合均勻，裝入體積為IO毫升的反應(yīng)器。加 熱至42(TC發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)60MPa，平衡壓力為30MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài) 產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品中O. 18克。分析表明，藥品主要為氮雜石墨烯，此外還 有少量的碳納米顆粒和無(wú)定形碳。氮雜石墨烯的量約為95%，厚度分布為0. 34-10nm。
權(quán)利要求
一種氮摻雜石墨烯的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將含硝基有機(jī)爆炸物及含碳和氮添加物按重量比為含碳和氮添加物∶含硝基有機(jī)爆炸物＝1∶1-5；(2)將反應(yīng)物以0.06-0.25克/毫升的裝填密度裝入一密封的不銹鋼反應(yīng)器，加熱到220-420℃發(fā)生爆炸，待反應(yīng)器冷卻后，排空氣體，收集固體產(chǎn)物。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種氮摻雜石墨烯的制備方法，其特征在于所述的含硝基有機(jī)爆炸物為苦味酸、間二硝基苯或梯恩梯。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種氮摻雜石墨烯的制備方法，其特征在于所述的含碳和氮添加物為三聚氯氰、鄰菲啰啉或硝基苯。
全文摘要
一種氮摻雜石墨烯的制備方法是將含硝基有機(jī)爆炸物及含碳和氮添加物按重量比為含碳和氮添加物含硝基有機(jī)爆炸物＝1∶1-5；將反應(yīng)物以0.06-0.25克/毫升的裝填密度裝入一密封的不銹鋼反應(yīng)器，加熱到220-420℃發(fā)生爆炸，待反應(yīng)器冷卻后，排空氣體，收集固體產(chǎn)物。本發(fā)明具有成本低，工藝簡(jiǎn)單，合成氮雜石墨烯含量高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01B31/02GK101708837SQ20091017531
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月7日
發(fā)明者馮守愛, 朱珍平, 王志堅(jiān), 賈蓉蓉, 趙江紅, 鄭劍鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所