本發(fā)明涉及磷烯復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其涉及一種制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
磷烯材料是由單層磷原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新型磷納米材料，其特殊的微觀穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的電化學(xué)性能和熱傳導(dǎo)性能，因此磷烯材料在電子通信、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
磷烯材料因磷原子層間具有較強(qiáng)的范德華力和較大的比表面積，因此易于發(fā)生層疊現(xiàn)象而形成類似薄膜的片狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致比表面積大幅減小，從而會(huì)嚴(yán)重?fù)p失磷烯特有的吸附、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等優(yōu)異性能。此外，磷烯較強(qiáng)的化學(xué)活性使其容易被氧氣、水等物質(zhì)侵蝕而失去原有性能。磷烯的機(jī)械性能較弱，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中易受到外力而受到破壞。
在現(xiàn)有技術(shù)中，制備的磷烯材料比表面積較小，機(jī)械性能也較弱，另外對(duì)磷烯的層疊現(xiàn)象和容易被氧化侵蝕的缺點(diǎn)沒(méi)有很好的處理方法，且沒(méi)有出現(xiàn)磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料及其合成方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足之處，本發(fā)明提供了一種制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法，可以將氮元素和碳元素一同摻雜到磷烯中，使復(fù)合材料整體具有氮、碳和磷烯的三重優(yōu)點(diǎn)，不僅比表面積大，機(jī)械性能好，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性、柔性、贗電容性能和吸附性能，而且操作簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備要求低、產(chǎn)品質(zhì)量好、產(chǎn)率高，產(chǎn)品可廣泛用到電子通信、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
一種制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：
步驟a、將磷烯和含氮有機(jī)物一同置于溶液中均勻混合，磷烯的用量占磷烯和含氮有機(jī)物總質(zhì)量的5％～95％，從而得到分散均勻的懸浮液；
步驟b、按照氧化性化合物用量:所述含氮有機(jī)物用量＝0.001～5:1的摩爾比，向所述懸浮液中加入氧化性化合物，并反應(yīng)0.1～72h，然后對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行固液分離，并對(duì)固液分離得到的固體進(jìn)行干燥，從而得到復(fù)合物前驅(qū)體；
步驟c、將所述復(fù)合物前驅(qū)體置于充有保護(hù)氣體的高溫爐中進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為500～1100℃，保溫時(shí)間為1～72h，再降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料。
優(yōu)選地，所述的含氮有機(jī)物為苯胺、吡咯、三聚氰胺、二乙胺、三甲胺、三乙胺、尿素、吡啶、嘧啶、苯甲酰胺、對(duì)氨基苯甲醛、鄰氨基苯甲醛、間氨基苯甲醛中的至少一種。
優(yōu)選地，所述溶液為水、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、四氫呋喃、四氯化碳、乙腈、乙醚、石油醚、戊烷、己烷、二硫化碳、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烷、乙酸乙酯、丁酮、苯、環(huán)己烷、n,n-二甲基甲酰胺、甲醛、硫酸、鹽酸、硝酸、乙酸、丙酸、氨水、水合肼、n-甲基吡咯烷酮中的至少一種。
優(yōu)選地，所述懸浮液的濃度為0.1～10mg/ml。
優(yōu)選地，所述氧化性化合物為過(guò)硫酸銨、草酸亞鐵、醋酸鈷、硝酸鐵、硝酸鈷、硝酸鎳、硝酸錳、氯化鐵、氯化亞鐵、二氧化錳、過(guò)氧化氫、重鉻酸鉀、重鉻酸鈉中的至少一種。
優(yōu)選地，所述保護(hù)氣體為氮?dú)?、氦氣、氬氣、二氧化碳中的至少一種。
由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所提供的制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法以含氮有機(jī)物作為氮源和碳源，并且在含氮有機(jī)物與磷烯混合后，通過(guò)與氧化性化合物反應(yīng)在磷烯表面聚合含氮有機(jī)物，形成復(fù)合物前驅(qū)體；然后在保護(hù)氣體環(huán)境中通過(guò)對(duì)復(fù)合物前驅(qū)體進(jìn)行煅燒，并控制煅燒溫度和保溫時(shí)間，從而將氮元素和碳元素?fù)诫s到磷烯中，形成了磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料。與單純的磷烯不同，氮元素和碳元素的摻雜不僅使該磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料具有很好的導(dǎo)電性，而且使該磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料具有良好的贗電容性能和吸附性能等功能性體征，因此該磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料綜合發(fā)揮了氮、碳和磷烯的三者的優(yōu)異性能，不僅比表面積大，機(jī)械性能好，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性、柔性、贗電容性能和吸附性能，而且其制備方法操作簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備要求低、產(chǎn)品質(zhì)量好、產(chǎn)率高，可廣泛用到電子通信、能源轉(zhuǎn)換、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
下面對(duì)本發(fā)明所提供的制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
一種制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：
步驟a、將磷烯和含氮有機(jī)物一同置于溶液中均勻混合，磷烯的用量占磷烯和含氮有機(jī)物總質(zhì)量的5％～95％，從而得到分散均勻的濃度為0.1～100g/l的懸浮液。其中，所述的含氮有機(jī)物為苯胺、吡咯、三聚氰胺、二乙胺、三甲胺、三乙胺、尿素、吡啶、嘧啶、苯甲酰胺、對(duì)氨基苯甲醛、鄰氨基苯甲醛、間氨基苯甲醛中的至少一種。所述溶液為水、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、四氫呋喃、四氯化碳、乙腈、乙醚、石油醚、戊烷、己烷、二硫化碳、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烷、乙酸乙酯、丁酮、苯、環(huán)己烷、n,n-二甲基甲酰胺、甲醛、硫酸、鹽酸、硝酸、乙酸、丙酸、氨水、水合肼、n-甲基吡咯烷酮中的至少一種。
步驟b、按照氧化性化合物用量:所述含氮有機(jī)物用量＝0.001～5:1的摩爾比，向所述懸浮液中加入氧化性化合物，并反應(yīng)0.1～72h，然后對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行固液分離，并對(duì)固液分離得到的固體進(jìn)行干燥(例如：可以在40～150℃下真空干燥至恒重)，從而得到復(fù)合物前驅(qū)體。其中，所述氧化性化合物為過(guò)硫酸銨、草酸亞鐵、醋酸鈷、硝酸鐵、硝酸鈷、硝酸鎳、硝酸錳、氯化鐵、氯化亞鐵、二氧化錳、過(guò)氧化氫、重鉻酸鉀、重鉻酸鈉中的至少一種。
步驟c、將所述復(fù)合物前驅(qū)體置于充有保護(hù)氣體的高溫爐中進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為500～1100℃，保溫時(shí)間為1～72h，然后降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料。其中，所述保護(hù)氣體為氮?dú)?、氦氣、氬氣、二氧化碳中的至少一種。
具體地，本發(fā)明所提供的制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法以含氮有機(jī)物作為氮源和碳源，并且在將含氮有機(jī)物與磷烯按特定比例混合后，通過(guò)與氧化性化合物反應(yīng)在磷烯表面聚合含氮有機(jī)物，形成復(fù)合物前驅(qū)體；然后在保護(hù)氣體環(huán)境中通過(guò)對(duì)復(fù)合物前驅(qū)體進(jìn)行煅燒，并控制煅燒溫度和保溫時(shí)間，從而將氮元素和碳元素?fù)诫s到磷烯中，形成了磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料。與單純的磷烯不同，氮元素和碳元素的摻雜不僅使該磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料具有很好的導(dǎo)電性，而且使該磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料具有良好的贗電容性能和吸附性能等功能性體征，因此該磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料綜合發(fā)揮了氮、碳和磷烯的三者的優(yōu)異性能，不僅比表面積大，機(jī)械性能好，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性、柔性、贗電容性能和吸附性能，而且其制備方法操作簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備要求低、產(chǎn)品質(zhì)量好、產(chǎn)率高，可廣泛用到電子通信、能源轉(zhuǎn)換、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。
為了更加清晰地展現(xiàn)出本發(fā)明所提供的技術(shù)方案及所產(chǎn)生的技術(shù)效果，下面以具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
實(shí)施例1
一種制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：
步驟a1、將1g磷烯和9g苯胺一同置于水中均勻混合，從而得到分散均勻的濃度為0.15g/l的懸浮液。
步驟b1、向所述懸浮液中加入0.08g氯化鐵，并反應(yīng)0.2h，然后對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行固液分離，并對(duì)固液分離得到的固體在40℃真空干燥至恒重，從而得到復(fù)合物前驅(qū)體。
步驟c1、將所述復(fù)合物前驅(qū)體置于充有氮?dú)獾母邷貭t中進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為1100℃，保溫時(shí)間為2h，然后自然降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料。
具體地，現(xiàn)有技術(shù)中普通磷烯材料的比表面積約為60m2/g，而本發(fā)明實(shí)施例1所提供的磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的比表面積大于2000m2/g，并且環(huán)境穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于普通磷烯材料。
實(shí)施例2
一種制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：
步驟a2、將12.5g磷烯和9g吡咯一同置于甲醇和乙醇的混合液中均勻混合，從而得到分散均勻的濃度為5g/l的懸浮液。
步驟b2、向所述懸浮液中加入6.1g過(guò)硫酸銨，并反應(yīng)10h，然后對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行固液分離，并對(duì)固液分離得到的固體在60℃真空干燥至恒重，從而得到復(fù)合物前驅(qū)體。
步驟c2、將所述復(fù)合物前驅(qū)體置于充有氬氣的高溫爐中進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為900℃，保溫時(shí)間為15h，然后自然降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料。
實(shí)施例3
一種制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：
步驟a3、將2.5g磷烯和4g乙二胺一同置于四氯化碳和丙酮的混合液中均勻混合，從而得到分散均勻的濃度為25g/l的懸浮液。
步驟b3、向所述懸浮液中加入5.8g二氧化錳，并反應(yīng)24h，然后對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行固液分離，并對(duì)固液分離得到的固體在80℃真空干燥至恒重，從而得到復(fù)合物前驅(qū)體。
步驟c3、將所述復(fù)合物前驅(qū)體置于充有二氧化碳的高溫爐中進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為800℃，保溫時(shí)間為24h，然后自然降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料。
實(shí)施例4
一種制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：
步驟a4、將2.5g磷烯和1.5g三乙胺一同置于石油醚和二氯乙烷的混合液中均勻混合，從而得到分散均勻的濃度為50g/l的懸浮液。
步驟b4、向所述懸浮液中加入3.8g氯化亞鐵，并反應(yīng)36h，然后對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行固液分離，并對(duì)固液分離得到的固體在100℃真空干燥至恒重，從而得到復(fù)合物前驅(qū)體。
步驟c4、將所述復(fù)合物前驅(qū)體置于充有氦氣的高溫爐中進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為700℃，保溫時(shí)間為36h，然后自然降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料。
實(shí)施例5
一種制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：
步驟a5、將5g磷烯和1.25g對(duì)氨基苯甲醛一同置于n,n-二甲基甲酰胺中均勻混合，從而得到分散均勻的濃度為75g/l的懸浮液。
步驟b5、向所述懸浮液中加入1.3g過(guò)氧化氫，并反應(yīng)48h，然后對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行固液分離，并對(duì)固液分離得到的固體在120℃真空干燥至恒重，從而得到復(fù)合物前驅(qū)體。
步驟c5、將所述復(fù)合物前驅(qū)體置于充有氬氣和氦氣的高溫爐中進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為600℃，保溫時(shí)間為48h，然后自然降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料。
實(shí)施例6
一種制備磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：
步驟a6、將5g磷烯和0.27g間氨基苯甲醛一同置于氨水中均勻混合，從而得到分散均勻的濃度為100g/l的懸浮液。
步驟b6、向所述懸浮液中加入3.25g重鉻酸鉀，并反應(yīng)72h，然后對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行固液分離，并對(duì)固液分離得到的固體在150℃真空干燥至恒重，從而得到復(fù)合物前驅(qū)體。
步驟c6、將所述復(fù)合物前驅(qū)體置于充有氮?dú)夂秃獾母邷貭t中進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為500℃，保溫時(shí)間為72h，然后自然降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復(fù)合材料。
綜上可見，本發(fā)明實(shí)施例可以將氮元素和碳元素一同摻雜到磷烯中，使復(fù)合材料整體具有氮、碳和磷烯的三重優(yōu)點(diǎn)，不僅比表面積大，機(jī)械性能好，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性、柔性、贗電容性能和吸附性能，而且操作簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備要求低、產(chǎn)品質(zhì)量好、產(chǎn)率高，產(chǎn)品可廣泛用到電子通信、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。