本發明涉及磷烯復合材料領域，尤其涉及一種制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法。
背景技術：
磷烯材料是由單層磷原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結構的新型磷納米材料，其特殊的微觀穩定結構使其具有優異的電化學性能和熱傳導性能，因此磷烯材料在電子通信、交通運輸等領域具有廣闊應用前景。
磷烯材料因磷原子層間具有較強的范德華力和較大的比表面積，因此易于發生層疊現象而形成類似薄膜的片狀結構，這種結構會導致比表面積大幅減小，從而會嚴重損失磷烯特有的吸附、導電、導熱等優異性能。此外，磷烯較強的化學活性使其容易被氧氣、水等物質侵蝕而失去原有性能。磷烯的機械性能較弱，在實際應用過程中易受到外力而受到破壞。
在現有技術中，制備的磷烯材料比表面積較小，機械性能也較弱，另外對磷烯的層疊現象和容易被氧化侵蝕的缺點沒有很好的處理方法，且沒有出現磷烯-氮摻雜碳復合材料及其合成方法。
技術實現要素：
針對現有技術中的上述不足之處，本發明提供了一種制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法，可以將氮元素和碳元素一同摻雜到磷烯中，使復合材料整體具有氮、碳和磷烯的三重優點，不僅比表面積大，機械性能好，具有良好的導電性、導熱性、穩定性、柔性、贗電容性能和吸附性能，而且操作簡單、對設備要求低、產品質量好、產率高，產品可廣泛用到電子通信、交通運輸等領域。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
一種制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法，包括以下步驟：
步驟a、將磷烯和含氮有機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物總質量的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0.1～72h，然后對反應產物進行固液分離，并對固液分離得到的固體進行干燥，從而得到復合物前驅體；
步驟c、將所述復合物前驅體置于充有保護氣體的高溫爐中進行煅燒，煅燒溫度為500～1100℃，保溫時間為1～72h，再降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復合材料。
優選地，所述的含氮有機物為苯胺、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、對氨基苯甲醛、鄰氨基苯甲醛、間氨基苯甲醛中的至少一種。
優選地，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。
優選地，所述懸浮液的濃度為0.1～10mg/ml。
優選地，所述氧化性化合物為過硫酸銨、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、過氧化氫、重鉻酸鉀、重鉻酸鈉中的至少一種。
優選地，所述保護氣體為氮氣、氦氣、氬氣、二氧化碳中的至少一種。
由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明所提供的制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法以含氮有機物作為氮源和碳源，并且在含氮有機物與磷烯混合后，通過與氧化性化合物反應在磷烯表面聚合含氮有機物，形成復合物前驅體；然后在保護氣體環境中通過對復合物前驅體進行煅燒，并控制煅燒溫度和保溫時間，從而將氮元素和碳元素摻雜到磷烯中，形成了磷烯-氮摻雜碳復合材料。與單純的磷烯不同，氮元素和碳元素的摻雜不僅使該磷烯-氮摻雜碳復合材料具有很好的導電性，而且使該磷烯-氮摻雜碳復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-氮摻雜碳復合材料綜合發揮了氮、碳和磷烯的三者的優異性能，不僅比表面積大，機械性能好，具有良好的導電性、導熱性、穩定性、柔性、贗電容性能和吸附性能，而且其制備方法操作簡單、對設備要求低、產品質量好、產率高，可廣泛用到電子通信、能源轉換、交通運輸等領域。
具體實施方式
下面對本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。
下面對本發明所提供的制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法進行詳細描述。
一種制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法，包括以下步驟：
步驟a、將磷烯和含氮有機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物總質量的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0.1～72h，然后對反應產物進行固液分離，并對固液分離得到的固體進行干燥(例如：可以在40～150℃下真空干燥至恒重)，從而得到復合物前驅體。其中，所述氧化性化合物為過硫酸銨、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、過氧化氫、重鉻酸鉀、重鉻酸鈉中的至少一種。
步驟c、將所述復合物前驅體置于充有保護氣體的高溫爐中進行煅燒，煅燒溫度為500～1100℃，保溫時間為1～72h，然后降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復合材料。其中，所述保護氣體為氮氣、氦氣、氬氣、二氧化碳中的至少一種。
具體地，本發明所提供的制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法以含氮有機物作為氮源和碳源，并且在將含氮有機物與磷烯按特定比例混合后，通過與氧化性化合物反應在磷烯表面聚合含氮有機物，形成復合物前驅體；然后在保護氣體環境中通過對復合物前驅體進行煅燒，并控制煅燒溫度和保溫時間，從而將氮元素和碳元素摻雜到磷烯中，形成了磷烯-氮摻雜碳復合材料。與單純的磷烯不同，氮元素和碳元素的摻雜不僅使該磷烯-氮摻雜碳復合材料具有很好的導電性，而且使該磷烯-氮摻雜碳復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-氮摻雜碳復合材料綜合發揮了氮、碳和磷烯的三者的優異性能，不僅比表面積大，機械性能好，具有良好的導電性、導熱性、穩定性、柔性、贗電容性能和吸附性能，而且其制備方法操作簡單、對設備要求低、產品質量好、產率高，可廣泛用到電子通信、能源轉換、交通運輸等領域。
為了更加清晰地展現出本發明所提供的技術方案及所產生的技術效果，下面以具體實施例對本發明實施例所提供的制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法進行詳細描述。
實施例1
一種制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法，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0.2h，然后對反應產物進行固液分離，并對固液分離得到的固體在40℃真空干燥至恒重，從而得到復合物前驅體。
步驟c1、將所述復合物前驅體置于充有氮氣的高溫爐中進行煅燒，煅燒溫度為1100℃，保溫時間為2h，然后自然降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復合材料。
具體地，現有技術中普通磷烯材料的比表面積約為60m2/g，而本發明實施例1所提供的磷烯-氮摻雜碳復合材料的比表面積大于2000m2/g，并且環境穩定性和機械強度也遠高于普通磷烯材料。
實施例2
一種制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法，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過硫酸銨，并反應10h，然后對反應產物進行固液分離，并對固液分離得到的固體在60℃真空干燥至恒重，從而得到復合物前驅體。
步驟c2、將所述復合物前驅體置于充有氬氣的高溫爐中進行煅燒，煅燒溫度為900℃，保溫時間為15h，然后自然降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復合材料。
實施例3
一種制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法，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24h，然后對反應產物進行固液分離，并對固液分離得到的固體在80℃真空干燥至恒重，從而得到復合物前驅體。
步驟c3、將所述復合物前驅體置于充有二氧化碳的高溫爐中進行煅燒，煅燒溫度為800℃，保溫時間為24h，然后自然降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復合材料。
實施例4
一種制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法，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36h，然后對反應產物進行固液分離，并對固液分離得到的固體在100℃真空干燥至恒重，從而得到復合物前驅體。
步驟c4、將所述復合物前驅體置于充有氦氣的高溫爐中進行煅燒，煅燒溫度為700℃，保溫時間為36h，然后自然降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復合材料。
實施例5
一種制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法，包括以下步驟：
步驟a5、將5g磷烯和1.25g對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過氧化氫，并反應48h，然后對反應產物進行固液分離，并對固液分離得到的固體在120℃真空干燥至恒重，從而得到復合物前驅體。
步驟c5、將所述復合物前驅體置于充有氬氣和氦氣的高溫爐中進行煅燒，煅燒溫度為600℃，保溫時間為48h，然后自然降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復合材料。
實施例6
一種制備磷烯-氮摻雜碳復合材料的方法，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72h，然后對反應產物進行固液分離，并對固液分離得到的固體在150℃真空干燥至恒重，從而得到復合物前驅體。
步驟c6、將所述復合物前驅體置于充有氮氣和氦氣的高溫爐中進行煅燒，煅燒溫度為500℃，保溫時間為72h，然后自然降溫至室溫，從而制得磷烯-氮摻雜碳復合材料。
綜上可見，本發明實施例可以將氮元素和碳元素一同摻雜到磷烯中，使復合材料整體具有氮、碳和磷烯的三重優點，不僅比表面積大，機械性能好，具有良好的導電性、導熱性、穩定性、柔性、贗電容性能和吸附性能，而且操作簡單、對設備要求低、產品質量好、產率高，產品可廣泛用到電子通信、交通運輸等領域。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。