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1、10申请公布号CN102302956A43申请公布日20120104CN102302956ACN102302956A21申请号201110185942822申请日20110705B01J32/00200601B01J27/0020060171申请人南京大学地址210093江苏省南京市汉口路22号72发明人刘建国辛宇尘王忠伟揭晓邹志刚74专利代理机构南京知识律师事务所32207代理人黄嘉栋54发明名称一种微波快速制备掺氮碳材料的方法57摘要一种掺氮碳材料的制备方法，它是在微波炉中放入有气体回路的密封容器，将碳材料均匀铺在密封容器中，通入高纯氨气，氨气排走容器中的空气，碳材料处于氨气氛围中，持续通。
2、入氨气，启动微波炉，碳材料吸收微波迅速升温，在高温下与氨气发生反应，实现氮的掺杂，待碳材料自然冷却，关闭氨气，搅拌碳材料让其混合均匀，再次通入氨气后，启动微波炉，如此反复多次，得到掺氮碳材料。本发明的掺氮碳材料制备方法的特点是设备、操作简单，反应快速，掺氮碳材料含氮量高。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图2页CN102302958A1/1页21一种掺氮碳材料的制备方法，其特征是包括以下步骤步骤1、在微波炉中放入有气体回路的密封容器，将碳材料均匀铺在密封容器中，通入高纯氨气，氨气排走容器中的空气，碳材料处于氨气氛围中，同时也避免高温下碳材料。
3、与空气接触发生燃料反应；步骤2、持续通入氨气，启动微波炉，碳材料吸收微波迅速升温，在高温下与氨气发生反应，实现氮的掺杂；步骤3、待碳材料自然冷却，关闭氨气，搅拌碳材料让其混合均匀，再次通入氨气后，启动微波炉，如此反复多次，得到掺氮碳材料。2根据权利要求1所述的掺氮碳材料的制备方法，其特征是所述的碳材料是石墨烯、石墨或炭黑。权利要求书CN102302956ACN102302958A1/4页3一种微波快速制备掺氮碳材料的方法技术领域0001本发明涉及一种碳材料掺氮的制备方法。碳材料掺氮可以优化碳材料的性能，可以适用于催化剂材料领域，特别是燃料电池催化剂载体。技术背景0002碳材料具有高比强度、高比。
4、模量、耐热、耐化学腐蚀、耐摩擦、导电、导热、抗辐射、良好的阻尼、减震、降噪等一系列综合性能，广泛应用于航空航天、国防军事等尖端领域以及高级体育用品、医疗器械、机械、交通等民用领域。其中，新型纳米碳材料，如石墨烯、C60、碳纳米管，由于比表面积大、导电性好、机械强度高，在储氢、超级电容器、催化剂等方面有广阔的应用前景。0003然而一个不容忽视的问题就是碳材料本身总含有大量的缺陷，这严重影响了碳材料的综合性能，限制了其进一步应用。碳材料的性能与其结晶度、宏微观结构和表面特性等方面有很大的关系，通过高温掺氮方法可以有效减少碳材料自身缺陷，提高其稳定性和导电性能。碳材料在高温下容易发生氧化，掺氮后的碳。
5、材料缺陷会显著减少，极大提高了其热稳定性能。碳材料掺氮后也能改善本身的电子特性氮比碳外层多一个电子，能提高碳材料的导电性；能让碳材料表面呈现电负性，有利于纳米粒子的吸附。这些特性促进了碳材料在储氢、超级电容器、催化剂等领域的进一步广泛应用。0004迄今为止，科学家们探索了多种碳材料掺氮的方法，如氨气退火法LSZHANGETAL,PHYSCHEMCHEMPHYS1220101205512059,水热法DHLONGETAL,LANGMUIR2620101609616102，化学气相沉积法MTERRONESETALAPPLPHYSLETT5199939323934，有机化学掺杂法YWANGETALA。
6、CSNANO4201017901798,电弧放电法NLIETAL,CARBON482010255259，超声共振法DWWANG,CHEMCOMMUN12201014231427等方法。然而，这些方法都存在不足氨气退火法生产周期长，通常需要加热几小时甚至十几个小时，耗费能量大；水热法产率低，水热斧中空间有限，不利于工业化生产，且反应时间长；化学气相沉积法与电弧放电法对设备要求高，操作复杂，成本高且不利于大规模生产；有机化学掺杂法需要先把碳源与有机氮源均匀混合，然后高温掺杂，流程比较繁琐，生产周期长；超声共振法掺氮效率低，氮源为水合肼，毒性高。因此，探寻一种简单、高效、低成本的碳材料掺氮方式，提高。
7、碳材料的稳定性与导电性，为充分利用碳材料奠定了基础。发明内容0005本发明针对上述现有技术中的不足，提供了一种工艺简单、成本低廉、快速高效的碳材料掺氮的方法。0006本发明通过以下方式实现。0007一种掺氮碳材料的制备方法，其特征包括以下步骤1、在微波炉中放入有气体回路的密封容器，将碳材料均匀铺在密封容器中，通入高纯说明书CN102302956ACN102302958A2/4页4氨气，氨气排走容器中的空气，碳材料处于氨气氛围中，同时也避免高温下碳材料与空气接触发生燃料反应；2、持续通入氨气，启动微波炉，碳材料吸收微波迅速升温，在高温下与氨气发生反应，实现氮的掺杂；3、待碳材料自然冷却，关闭氨气。
8、，搅拌碳材料让其混合均匀，再次通入氨气后，启动微波炉，如此反复多次，得到掺氮碳材料。0008上述的掺氮碳材料的制备方法，所述的碳材料是石墨烯、石墨或炭黑。0009本发明的掺氮碳材料制备方法的特点是设备、操作简单，反应快速。与已有的方法相比，微波法掺氮具有如下优势1碳材料自身能吸收微波，加热速度快，短时间内温度可达到500以上；2掺杂速度快，生产周期短，整个过程只需几分钟；3掺氮碳材料含氮量高；4工艺过程简单，操作方便，反应时间可以根据实际需要灵活调控，可实现工业化生产。附图说明0010图1为微波法掺氮前后石墨烯的XPS图。掺氮反应之前，石墨烯完全没有氮峰；石墨烯微波掺杂之后，在500EV附近出。
9、现明显的氮峰，说明氮已经掺进了石墨烯。0011图2为掺氮石墨烯载铂与石墨烯载铂的甲醇氧化循环伏安曲线。0012图3为掺氮石墨烯载铂与石墨烯载铂的热重曲线。具体实施方式0013下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。0014实施例1掺氮石墨烯的制备1将一个容量为100ML的三口烧瓶固定于微波炉中GALANZ,2450MHZ,800W，三口烧瓶中间口密封，另两个口做成密封回路，用于氨气流通；微波炉壁上设置两个小孔，使烧瓶的进出气橡胶管连接到微波炉外界，设置小孔时注意屏蔽，防止微波泄露；把150MG石墨烯均匀铺在烧瓶底部，进气口连接高纯氨气，出气口连接稀盐酸溶液，吸。
10、收剩余氨气；流量计调节氨气流量，氨气流量为200SCCM，通气5分钟，充分除去烧瓶中的空气，使石墨烯完全处于氨气氛围中。00152开启微波炉，反应时间1分钟，石墨烯吸收微波迅速产生高温，在高温下产生红热现象。石墨烯在高温下与氨气反应，部分碳原子被氨气中的氮原子取代；与此同时，石墨烯表面的官能团在高温下分解。整个反应过程继续保持氨气通入，氨气流量为200SCCM。00163反应结束后待样品自然冷却，关闭氨气。为了使掺杂更加均匀，充分搅拌石墨烯使其混合均匀。重新将三口烧瓶放入微波炉，通入氨气，重复以上操作三次，得到掺氮石墨烯。微波法掺氮前后石墨烯的XPS图见图1。0017480MG掺氮石墨烯加入到。
11、30ML乙二醇中，超声分散30分钟。加入27ML0038MOL/L氯铂酸乙二醇溶液，铂的担载量为20WT。用1MOL/L氢氧化钠乙二醇溶液调节PH至12，把溶液放入微波炉中，间歇微波（开10秒停20秒）十次，防止微波时间太长过热；乙二醇作为还原剂，把铂离子还原成纳米铂粒子沉积在掺氮石墨烯表面。冷却至室温，说明书CN102302956ACN102302958A3/4页5用11盐酸水溶液调节PH值至3，加入50ML去离子水沉降3小时；溶液进行抽滤，用热水反复洗涤，冷冻干燥12小时，得到铂/掺氮石墨烯质子交换膜燃料电池催化剂。作为对比实验，用同样的方法制备了铂/石墨烯燃料电池催化剂。0018表1为微。
12、波法掺氮前后石墨烯的元素分析。掺氮石墨烯的含氮量为864WT，并且氧含量大大降低，说明在实现掺氮的同时，表面含氧官能发生了热分解或被氮原子取代。0019表1样品CHONCO石墨烯82721571571527掺氮石墨烯82642086648641245掺氮石墨烯载铂与石墨烯载铂作为燃料电池催化剂的甲醇氧化循环伏安曲线见图2。电势相对于饱和甘汞电极SCE。可以看出铂/掺氮石墨烯催化剂的甲醇氧化峰电流为2494MACM2，铂/石墨烯催化剂的峰电流为1336MACM2。铂/掺氮石墨烯的甲醇催化活性明显优于铂/石墨烯催化剂。0020掺氮石墨烯载铂与石墨烯载铂的热重曲线见图3。可以看出，掺氮石墨烯载铂的热。
13、稳定性大大得到了改善。石墨烯载铂从260左右载体开始燃烧，而掺氮石墨烯载铂开始燃烧的温度提高到了380左右，提高了近120。0021实施例2掺氮石墨的制备1将一个容量为100ML的三口烧瓶固定于微波炉中GALANZ,2450MHZ,800W，三口烧瓶中间口密封，另两个口做成密封回路，用于氨气流通；微波炉壁上设置两个小孔，使烧瓶的进出气橡胶管连接到微波炉外界，设置小孔时注意屏蔽，防止微波泄露；把150MG石墨均匀铺在烧瓶底部，进气口连接高纯氨气，出气口连接稀盐酸溶液，吸收剩余氨气；流量计调节氨气流量，氨气流量为200SCCM，通气5分钟，充分除去烧瓶中的空气，使石墨完全处于氨气氛围中。00222。
14、开启微波炉，反应时间1分钟，石墨吸收微波迅速产生高温，在高温下产生红热现象。石墨在高温下与氨气反应，部分碳原子被氨气中的氮原子取代；与此同时，石墨表面的官能团在高温下分解。整个反应过程继续保持氨气通入，氨气流量为200SCCM。00233反应结束后待样品自然冷却，关闭氨气。为了使掺杂更加均匀，用钥匙充分搅拌石墨使其再次混合均匀。重新将三口烧瓶放入微波炉，通入氨气，重复以上操作三次，得到掺氮石墨。0024表2为微波法掺氮前后石墨的元素分析。掺氮石墨的含氮量为214WT，并且氧含量降低，部分碳原子在高温下被碳原子取代。0025表2样品CHON石墨9462202336掺氮石墨944318715621。
15、4实施例3掺氮炭黑（XC72）的制备1将一个容量为100ML的三口烧瓶固定于微波炉中GALANZ,2450MHZ,800W，三口烧瓶中间口密封，另两个口做成密封回路，用于氨气流通；微波炉壁上设置两个小孔，使烧瓶的进出气橡胶管连接到微波炉外界，设置小孔时注意屏蔽，防止微波泄露；把150MGXC72均匀铺在烧瓶底部，进气口连接高纯氨气，出气口连接稀盐酸溶液，吸收剩余氨气；流量计调节氨气流量，氨气流量为200SCCM，通气5分钟，充分除去烧瓶中的空气，使XC72说明书CN102302956ACN102302958A4/4页6完全处于氨气氛围中。00262开启微波炉，反应时间1分钟，XC72吸收微波迅。
16、速产生高温，在高温下产生红热现象。XC72在高温下与氨气反应，部分碳原子被氨气中的氮原子取代。整个反应过程继续保持氨气通入，氨气流量为200SCCM。00273反应结束后待样品自然冷却，关闭氨气。为了使掺杂更加均匀，用钥匙充分搅拌XC72使其再次混合均匀。重新将三口烧瓶放入微波炉，通入氨气，重复以上操作三次，得到掺氮XC72。0028表3为微波法掺氮前后XC72的元素分析。掺氮XC72的含氮量为189WT，并且氧含量降低。部分碳原子在高温下被碳原子取代。0029表3样品CHONXC729787132081掺氮XC729674109028189实施例4掺氮炭黑（MONARCH1100）的制备1将。
17、一个容量为100ML的三口烧瓶固定于微波炉中GALANZ,2450MHZ,800W，三口烧瓶中间口密封，另两个口做成密封回路，用于氨气流通；微波炉壁上设置两个小孔，使烧瓶的进出气橡胶管连接到微波炉外界，设置小孔时注意屏蔽，防止微波泄露；把150MGMONARCH1100均匀铺在烧瓶底部，进气口连接高纯氨气，出气口连接稀盐酸溶液，吸收剩余氨气；流量计调节氨气流量，氨气流量为200SCCM，通气5分钟，充分除去烧瓶中的空气，使MONARCH1100完全处于氨气氛围中。00302开启微波炉，反应时间1分钟，MONARCH吸收微波迅速产生高温，在高温下产生红热现象。MONARCH1100在高温下与氨气。
18、反应，部分碳原子被氨气中的氮原子取代。整个反应过程继续保持氨气通入，氨气流量为200SCCM。00313反应结束后待样品自然冷却，关闭氨气。为了使掺杂更加均匀，用钥匙充分搅拌MONARCH1100使其再次混合均匀。重新将三口烧瓶放入微波炉，通入氨气，重复以上操作三次，得到掺氮XC72。0032表4为微波法掺氮前后MONARCH1100的元素分析。掺氮MONARCH1100的含氮量为042WT，并且氧含量降低，部分碳原子在高温下被碳原子取代。0033表4样品CHONMONARCH11009424133443掺氮MONARCH11009605131222042说明书CN102302956ACN102302958A1/2页7图1图2说明书附图CN102302956ACN102302958A2/2页8图3说明书附图CN102302956A。