一种硼氮共掺杂的二氧化钛光催化剂的制备方法及其应用_CN109647483A

氮掺杂碳材料及其制备方法

氮掺杂碳材料

氮掺杂碳材料是一种具有独特性能的碳材料，通过将氮元素掺入碳材料中，可以改变碳材料的微观结构和理化性质，从而使其在诸多领域具有广泛的应用前景。氮掺杂碳材料的制备方法有多种，以下介绍几种常用的制备方法：

1. 氮气气氛下炭化法：这种方法是将碳源（如石墨烯、活性炭等）在氮气气氛下进行高温炭化。通过控制炭化温度、氮气流量和炭化时间等参数，可以制备出具有不同氮掺杂程度的碳材料。

2. 化学气相沉积（CVD）法：这种方法通过在气相中引入含氮化合物（如尿素、脲等）并与碳源（如石墨烯）发生反应，从而实现氮掺杂。CVD 法制备的氮掺杂碳材料具有较高的氮含量和较好的分散性。

3. 氮原子掺杂法：这种方法是通过化学键合将氮原子引入碳材料中。例如，在合成过程中加入含氮有机化合物（如尿素、脲等）或氮气，使氮原子与碳原子形成共价键。

4. 生物质制备法：这种方法利用生物质资源（如玉米秸秆、木质素等）作为碳源，通过高温炭化、活化等步骤制备氮掺杂碳材料。这种方法具有成本低、环境友好等优点。

5. 氮、硫、铜共掺杂法：这种方法是将氮、硫、铜等多种元素共同掺入碳材料中，以提高碳材料的性能。制备过程主要包括预处理、混合、热解和氮化等步骤。

6. 双金属修饰法：这种方法是通过将两种金属（如镍、铁等）修饰在氮掺杂碳纳米片上，从而提高碳材料的催化性能。制备过程包括氮掺杂碳纳米片的制备、金属盐的溶解、混合、热解等步骤。

以上便是几种常用的氮掺杂碳材料制备方法。根据实际需求和应用领域，可以选择合适的制备方法进行氮掺杂碳材料的制备。氮掺杂碳材料在能源、环境、催化等领域具有广泛的应用前景，因此对其制备方法的研究具有重要意义。

氮掺杂方法

氮(N)元素在材料科学中起着重要的作用,能够显著提高材料的电学、磁学等性质,因此在很多应用领域中具有广泛的应用前景。氮掺杂即是通过引入氮元素来改变材料的性质和性能，是一种常用的改性方法。此外，氮掺杂通常结合其他杂原子元素，如硫、碳、钙等进行多元掺杂，以实现更好的效果。

最常用的氮掺杂方法是在热力学上引入氧化物或氮化物中的氮元素。典型的方法包括氨气氛氛围下的热处理（NH3），氮化物被用作掺杂源的热处理，使用氮离子注入（NI）以及等离子体化学气相沉积（PECVD）等。下面将逐一介绍氮掺杂的各种方法及其优缺点。

1.氨气氛氛围下的热处理 (NH3)

氨气氛气体处理方式是将样品置于含氨气氛的大气中，采用高温方法将氮气溶入材料中。此法控制了氨气氛处理温度和时间，将气氛的确切化学组成转化为基础掺杂材料的特定化学组成。这种方法在理论上是可控的。同时，NH3的价格便宜、使用方便，所以是掺杂研究领域最常用的一种氮掺杂方法。缺点：这种方法在处理时除了对气氛条件有压力外，还需要长时间处理。同时，控制氩气氛的纯净度和一致性还较为困难。

2. 氮化物被用作掺杂源的热处理

这种方法利用氮化物作为氮的源，直接掺杂到材料中。氮化物与成品材料反应生成氮杂化物，在高温处理过程中，将充分掺杂到材料中。这种方法在研究中被广泛应用，可以控制掺杂时间和气氛，也可以控制掺杂深度和浓度。

缺点：从径向分布上来看，这种方法掺杂的氮元素分布较为不均匀，掺杂深度可达数十纳米，精度不够高。

3. 使用氮离子注入（NI）

在这种方法中，氮离子(通常是N+)注入到样品中，注入能量通常从几数百电子伏（erv）到数千erv，具体的离子能量取决于掺杂深度和离子的类型。通常，这种方法可以控制掺杂层厚度和浓度。

缺点：注入氮离子，易造成样品表面的氧离子缺陷，随后的退火过程将导致氮元素的扩散和退火过程使样品的结构变得不可预测。

4.等离子体化学气相沉积（PECVD）

氮掺杂二氧化钛的制备及性能

一、引言

二氧化钛（TiO2）作为一种重要的半导体材料，具有良好的光催化性能和光电化学性能。然而，纯TiO2的禁带宽度较大，仅能吸收紫外光，限制了其在可见光区域的应用。因此，通过掺杂改性，尤其是氮掺杂，能有效地提高TiO2的可见光吸收能力，从而扩展其应用领域。本文将详细讨论氮掺杂二氧化钛的制备方法及其性能。

二、制备方法

1. 溶胶-凝胶法：通过溶胶-凝胶法制备氮掺杂二氧化钛是常见的方法之一。首先将适量的钛酸四丁酯和氨水溶液混合，形成透明溶液。随后，在搅拌条件下将溶液水热处理，使其形成凝胶。最后，将凝胶进行干燥和煅烧处理，得到氮掺杂二氧化钛。

2. 气相沉积法：气相沉积法是另一种制备氮掺杂二氧化钛的方法。该方法需要使用金属有机化合物和氨气作为原料气体。首先，金属有机化合物和氨气在高温下反应，生成氮掺杂二氧化钛的前驱体。然后，前驱体在低温条件下进行热解，得到氮掺杂二氧化钛薄膜。

三、性能研究

1. 光催化性能：氮掺杂二氧化钛具有优异的光催化性能。研究表明，在可见光照射下，氮掺杂二氧化钛能够有效分解有机污染物，如甲基橙、罗丹明B等。由于氮掺杂引入了新的能级，提高了光生载流子的分离效率，从而提高了光催化活性。

2. 光电化学性能：氮掺杂二氧化钛可用于制备高效的光电化学电池。研究发现，经过氮掺杂的二氧化钛在阳极材料中应用于染料敏化太阳能电池，其光电转换效率明显提高。氮掺杂引入的能级有利于电子的传输和被捕获，从而增强了光电流的产生。

3. 可见光吸收能力：纯TiO2只能吸收紫外光，因此其在可见光区域的利用率较低。通过氮掺杂，TiO2的禁带宽度缩小，能够吸收可见光，从而提高了材料在可见光区域的利用效率。

四、应用展望

氮掺杂二氧化钛具有广泛的应用前景。一方面，其在环境领域中可以应用于水处理、空气净化等方面；另一方面，其在能源领域中可以用于制备高效光电化学电池、染料敏化太阳能电池等。未来的研究中，可以进一步探索氮掺杂二氧化钛的制备方法和性能调控机制，以提高其性能和拓展其更多的应用领域。

氮和硫共掺杂碳点及其制备方法和应用

碳点是纳米尺度的小碳簇，其相当于一个分子，具有独特的化学结构和性质。恒星际可以用于合成各种有机小分子和宏观材料，具有广泛的应用前景。一些研究者提出了一种新型碳点——氮和硫共掺杂碳点，也称为NS情况碳点，具有更高的热导率以及抗氧化性能。

氮和硫共掺杂碳点的制备有两种方法：一种是多壁碳纳米管法，利用亲核环氧化剂将碳纳米管表面温和氧化，从而形成NS情况碳点；另一种是通过氮和硫共掺杂原子溶液制备，这种方法具有较高的制备精度。

NS情况碳点具有多种应用，其中最为常见的是用于锂离子电池。氮和硫共掺杂碳点可以提高离子电池的能量密度和容量，并且可以增加电池的热稳定性和耐磨性。此外，NS情况碳点还可用于储能材料，电化学发光器件和超级电容器以及用于稀土光热材料，便于吸收太阳能。

由于氮和硫共掺杂碳点具有多种优异的性质，它已被广泛应用于能源存储和转换领域，发挥重要的作用。

氮掺杂类型 -回复

一、引言部分

氮掺杂作为一种重要的杂质掺杂方式，对材料的物理性质和化学性质都有着显著的影响。在纳米材料的研究领域，氮掺杂被广泛应用于提高材料的导电性、光催化性能和电化学性能等方面。本文将详细介绍氮掺杂的各种类型及其在不同材料中的应用。

二、主体部分

1. 氮掺杂的基本原理

氮掺杂是指将氮原子引入到材料的晶格结构中，取代或插入材料的原有原子。氮掺杂可以通过化学气相沉积、氮离子注入、退火处理等多种方法实现。在掺杂过程中，氮原子与材料的原子发生相互作用，造成材料的晶格畸变和能带结构调变，从而影响材料的物理性质。

2. 氮掺杂的类型及其特点

（1）替代型氮掺杂：替代型氮掺杂是指氮原子取代材料中的某些原子位置。替代型氮掺杂多见于二维材料中，如石墨烯、氮化硼等。氮原子的替代会改变材料的晶格常数和晶格对称性，进而导致材料的导电性和光学性质发生变化。

（2）插入型氮掺杂：插入型氮掺杂是指氮原子插入到材料的晶格间隙中。插入型氮掺杂多用于金属氧化物、过渡金属化合物等材料，可以显著提高材料的氧化还原性能和催化活性。此外，插入型氮掺杂还可以改变材料的能带结构，提高材料的光催化性能。

（3）表面型氮掺杂：表面型氮掺杂是指将氮原子引入到材料的表面层中。这种类型的氮掺杂常常用于无机纳米材料和二维材料中，可以显著改变材料的表面能和反应活性，从而提高催化性能和光热转换效率。

（4）空位型氮掺杂：空位型氮掺杂是指氮原子占据材料的晶格空位。空位型氮掺杂通常与其他掺杂元素共同作用，可以形成复合掺杂材料。空位型氮掺杂常用于改善材料的电化学性能，如提高材料的电导率和电催化活性。

3. 氮掺杂材料的应用

（1）导电材料方面，氮掺杂可以显著提高材料的导电性能。例如，将氮掺杂引入到石墨烯中，可以使石墨烯从半导体转变为金属导体，从而扩展了其在电子器件中的应用。

（2）光催化材料方面，氮掺杂可以增强材料的可见光吸收能力，提高光催化反应的效率。以二氧化钛为例，氮掺杂可以有效延长其光响应范围，提高其催化氧化和降解有害物质的能力。

mxene氮掺杂方法

MXene作为一种新型二维材料，具有独特的物理化学性质和广泛的应用前景。近年来，对MXene进行氮掺杂已成为提高其性能的重要手段。本文将详细介绍MXene氮掺杂的方法，以供参考。

一、MXene简介

MXene是一种由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物组成的二维材料，具有高电导率、大比表面积、良好的力学性能等特点。由于其独特的性质，MXene在能源、催化、电磁屏蔽等领域具有广泛的应用潜力。

二、氮掺杂MXene的意义

氮掺杂可以调控MXene的电子结构、化学性质和表面特性，进一步提高其性能。例如，氮掺杂可以增加MXene的活性位点，提高其在催化领域的性能；同时，氮掺杂还可以改善MXene的电磁性能，提高其在电磁屏蔽领域的应用潜力。

三、MXene氮掺杂方法

1.化学气相沉积法（CVD）

化学气相沉积法是一种常用的氮掺杂方法。通过在MXene表面引入含有氮的前体气体，如氨气（NH3）或氮气（N2），在高温下与MXene反应，实现氮掺杂。该方法可以精确控制掺杂浓度，但设备成本较高，操作复杂。

2.离子注入法

离子注入法是一种将氮离子直接注入MXene层间的方法。通过调节注入离子能量和剂量，可以实现不同深度的氮掺杂。该方法具有操作简单、可控性好的优点，但设备要求较高。

3.溶液法

溶液法是一种简便、低成本的氮掺杂方法。将MXene与含氮化合物（如肼、叠氮化钠等）在溶液中混合，通过加热或搅拌实现氮掺杂。该方法适用于大规模生产，但掺杂均匀性和浓度控制相对较差。

4.红外辅助法

红外辅助法是一种利用红外光加热实现氮掺杂的方法。将MXene与含氮化合物混合，通过红外光照射，使含氮化合物分解产生氮原子，进而实现氮掺杂。该方法具有快速、环保的特点，但掺杂效果受红外光照射条件影响较大。

5.微波辅助法

微波辅助法利用微波加热实现氮掺杂。将MXene与含氮化合物混合，在微波场中加热，使氮原子快速扩散进入MXene层间。该方法具有加热均匀、掺杂速度快等优点，但设备要求较高。

氮掺杂碳纳米管的制备

氮掺杂碳纳米管是一种新型的碳基纳米材料，其具有较好的导电性、机械强度和光学性质，因此在电子学、化学传感器、光电器件等领域得到广泛应用。下面将介绍氮掺杂碳纳米管的制备方法及其应用领域。

制备方法：

氮掺杂碳纳米管的制备方法有很多种，主要包括热解法、化学气相沉积法、水热法等。其中，热解法是最为常用的制备方法。

1.热解法

热解法是利用抗氧化的碳源材料和氨气共同反应，在高温下裂解产生氮气和氨气，将氨气掺杂进碳材料中，从而制备出氮掺杂碳纳米管。通常使用的碳源材料有碳纤维、碳黑、葡萄糖等，制备流程如下：

（1）将碳材料放置在炉管中，升温至800℃以上；

（2）通入氨气，保持一定时间，使氨气和碳材料反应，并产生氮掺杂纳米管；（3）将反应产物冷却至室温，得到氮掺杂碳纳米管。

2.化学气相沉积法

化学气相沉积法是将金属催化剂（如铁、镍等）和氨气置于高温反应室中，其主要流程如下：

（1）在反应室内通入氨气，将反应温度升至700-800℃；

（2）加入金属催化剂，使其在高温下分解形成过渡态金属；

（3）碳源材料被引入反应室内，与过渡态金属反应，生成氮掺杂碳纳米管；

（4）随着反应的进行，可控制气体流速及温度等参数，获得想要的粒径和形状的纳米管产物。

3.水热法

水热法是将碳源材料与氨水混合悬浮液在高温和高压下进行反应。其主要流程如下：

（1）将碳源材料与氨水混合悬浮液加入反应釜中；（2）升温至200℃左右，保温数小时，反应产物得到及洗涤、干燥后即可获得氮掺杂碳纳米管。

应用领域：

氮掺杂碳纳米管具有很多重要的应用领域，下面简要介绍几种：

1.电子学：氮掺杂碳纳米管具有良好的导电性能，可以作为高性能电极材料或电导材料，用于制备电子元器件和柔性电子设备。

2.化学传感器：氮掺杂碳纳米管有较好的光学性质，可以制成光电化学传感器，检测光学信号，用于生物、环境和化学传感领域。

3.光电器件：氮掺杂碳纳米管具有很好的电学与光学性能，可以用于制备光电器件，如柔性太阳能电池、光电场发射二极管等。

氮掺杂碳量子点

氮掺杂碳量子点（Nitrogen-doped carbon quantum dots）是一种纳米级的碳材料，具有荧光性质和低毒性。氮掺杂可以改变碳量子点的电子结构，增强其荧光性能和化学稳定性。氮掺杂碳量子点可以通过简单的合成方法制备，常见的方法包括热处理、微波辅助合成、溶剂热法等。

氮掺杂碳量子点在生物成像、生物传感、能源储存等领域具有广泛的应用潜力。由于其荧光性质优良且对生物体无毒性，可以作为生物标记物，用于细胞成像和药物释放监测等。此外，氮掺杂碳量子点在光电器件、催化剂、传感器等方面也有着重要的应用价值。

在制备氮掺杂碳量子点时，通常会选择含氮原料和碳源进行反应。氮原料可以是氨、尿素等，而碳源可以是葡萄糖、柠檬酸等有机物。通过控制反应条件和材料比例，可以调控氮掺杂量和碳量子点的形貌、尺寸等特性。

总而言之，氮掺杂碳量子点是一种多功能的纳米材料，具有广泛的应用前景。通过调控其合成方法和材料组成，可以进一步优化其性能，满足不同领域的需求。

氮掺杂石墨烯量子点

氮掺杂石墨烯量子点是一种新型的纳米材料，具有很高的应用价值。石墨烯量子点是一种直径小于10纳米的碳基材料，具有优异的光电性能和化学稳定性。而氮掺杂则可以改变石墨烯量子点的电子结构，从而进一步提高其性能。

氮掺杂石墨烯量子点的制备方法有很多种，其中最常用的是热解法和水热法。热解法是将含氮化合物和石墨烯前体一起加热，使其在高温下反应生成氮掺杂石墨烯量子点。水热法则是将含氮化合物和石墨烯前体一起在水中加热反应，生成氮掺杂石墨烯量子点。

氮掺杂石墨烯量子点具有很多优异的性能。首先，它们具有很高的光吸收率和荧光量子产率，可以用于光电器件和生物成像。其次，氮掺杂可以改变石墨烯量子点的电子结构，使其具有更好的导电性和催化性能。此外，氮掺杂还可以增强石墨烯量子点的化学稳定性，使其在环境中更加耐久。

氮掺杂石墨烯量子点的应用前景非常广阔。它们可以用于太阳能电池、光电传感器、荧光探针、生物成像、催化剂等领域。例如，在太阳能电池中，氮掺杂石墨烯量子点可以作为电子传输层，提高电池的光电转换效率。在生物成像中，氮掺杂石墨烯量子点可以作为荧光探针，用于检测生物分子和细胞。

氮掺杂石墨烯量子点是一种非常有前途的纳米材料，具有很高的应用价值。随着制备技术的不断发展和应用领域的不断拓展，相信氮掺杂石墨烯量子点将会在未来的科技领域中发挥越来越重要的作用。

N、B共掺杂MXene复合材料的制备及其电化学性能研究

孙贺雷;李云飞;易荣华;王若冲;周爱军;孙义民

【摘要】通过对Ti3A1C2 MAX相陶瓷粉进行刻蚀、插层、超声处理,制备出片状Ti3C2Tx MXene.以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐作为杂原子掺杂的氮源和硼源,通过不同温度热处理,得到新型的N、B掺杂MXene(N,B-Ti3C2Tx)作为超级电容器的电极材料.考察了煅烧温度对其电容性能的影响,结果表明,最佳煅烧温度为300℃,此时电容性能得到有效提高.在扫描速率为100mV/s时测得N,B-Ti3C2Tx-300℃的质量电容为65 F/g,是相同条件下Ti3C2Tx电容的5.5倍.EIS结果表明,N,B-Ti3C2Tx-300℃的接触电阻为0.52 Ω.循环稳定性测试表明,当电流密度为2 A/g时,充放电循环1000次后的电容保持率为84％.

【期刊名称】《储能科学与技术》

【年(卷),期】2019(008)001

【总页数】8页(P130-137)

【关键词】MXene;离子液体;氮硼共掺杂;电容性能

【作者】孙贺雷;李云飞;易荣华;王若冲;周爱军;孙义民

【作者单位】武汉工程大学材料科学与工程学院,等离子体化学与新材料湖北省重点实验室,湖北武汉430205;武汉工程大学材料科学与工程学院,等离子体化学与新材料湖北省重点实验室,湖北武汉430205;武汉工程大学材料科学与工程学院,等离子体化学与新材料湖北省重点实验室,湖北武汉430205;武汉工程大学材料科学与工程学院,等离子体化学与新材料湖北省重点实验室,湖北武汉430205;武汉工程大学材料科学与工程学院,等离子体化学与新材料湖北省重点实验室,湖北武汉430205;武汉工程大学材料科学与工程学院,等离子体化学与新材料湖北省重点实验室,湖北武汉430205

【正文语种】中文

【中图分类】TM53

近年来，二维材料以其巨大的表面积、柔性的层状通道和可调控的电子结构在超级电容器领域展现出了巨大的应用潜力和广阔的发展前景[1-2]。其中，过渡金属碳化物纳米片（MXene）材料于2011年被美国Drexel大学研究人员所发现，主要通过选择性刻蚀三元层状化合物材料MAX中A层而得到，GOGOTSI等[3-5]在此领域做了大量开拓性研究。相对于传统超级电容器使用的碳材料，二维层状MXene材料具有更好的电子导电率、更高的堆积密度、更强的单位体积存储电荷能力等优势，使得MXene材料在超级电容器领域应用具有高的容量（约360