本发明涉及石墨烯插层化合物制备领域，采用石墨烯与无水三氯化铁制备p型三层石墨烯插层化合物；采用石墨烯与金属钾制备n型三层石墨烯插层化合物。
背景技术：
石墨插层化合物是将不同的原子或分子插入石墨层间，形成一层新的插层剂层的复合材料。利用客体原子或分子来逐层掺杂石墨这种体材料而形成石墨插层化合物的方法是石墨化学掺杂的一个重要方法，其中这类客体原子或分子被称为插层剂。插层剂的存在使得石墨层间距增大，同时不同插层剂也会让石墨层的自由载流子发生迁移，从而得到具有不同电学、热学和磁学等性质的化合物。根据载流子转移的类型，插层剂可以被分为两大类：施主型插层剂和受主型插层剂，其中前者向碳原子提供电子，而后者从碳原子掠取电子；所形成的插层化合物可分别称为n型和p型插层化合物。石墨经过化学处理制成的层间化合物，其性质大大优于石墨，具有耐高温、抗热震、防氧化、耐腐蚀、润滑性和密封性等优良性能或功能，是制备新型导电材料、电池材料、储氢材料、高效催化剂、柔性石墨、密封材料的原料，其应用范围已扩大到冶金、石油、化工、机械、航空航天、原子能、新型能源等领域。传统的石墨插层化合物由于尺寸原因，难以应用在微电子器件的制造领域。石墨烯是碳原子以正六边形结构周期排列而成的二维晶体。石墨烯具有极大的比表面积、极高的可见光透过率，还具有良好的导电和导热能力及高强度的机械性能，引发了材料科学、半导体技术、微电子技术等领域的研究风潮。具有纳米级厚度的多层石墨烯插层化合物，既可以为基础物理研究提供很好的素材，又必将在微纳光电子学方面具有更好的实用前景。因此，以少层石墨烯为基础的石墨烯插层化合物研究在新型微纳电子、透明电极、高频晶体管等器件的制造方面具有广阔的前景。
石墨烯插层化合物的制备方法可以参考石墨插层化合物的制备方法。常用的石墨插层化合物的制备方法主要有熔融法。熔融法是直接将石墨与反应物混合加热，使插入物在熔融条件下与石墨反应制得石墨层间化合物，该法反应速度快，反应充分，能制得一些低阶的石墨层间化合物样品。反应系统和过程简单易操作，适于大量合成。但如何除去反应后附在石墨层间化合物上的反应物，以及获得阶结构与组成一致的石墨层间化合物的问题还有待解决。法国的emery等采用混合熔盐法制得了块状的cac6样品，为该物质的进一步研究提供了良好的条件。实验中石墨与熔融的锂钙合金直接接触，在350℃与纯氩气的环境下反应十天，在反应时，首先进入石墨层间的是li，随着反应的进行ca与li发生交换反应，最终将li完全替代。在制备fecl3-gic时用到的也是熔盐法，反应温度为400℃，反应时间为4小时，原料配比c∶fecl3为1∶5，得到的产物为纯二阶fecl3二元石墨层间化合物。石墨插层化合物由于尺寸原因，难以应用在微电子器件的制造领域，而石墨烯具有良好的性能，石墨烯插层化合物研究在新型微纳电子、透明电极、高频晶体管等器件的制造方面具有极大的潜力。熔融法的反应系统和过程简单易操作，适于大量合成，可应用在石墨烯插层化合物制备领域。n型和p型石墨烯插层化合物既保留了石墨烯良好的电学、光学和热学等方面的性质，又引入了一些新的物化特性，如超导特性、催化特性和光学特性等等。因此需要制备n型和p型石墨烯插层化合物的有效方法，将其应用于超导体、电极、储氢材料、显示器、电池和光学偏振器等领域。
技术实现要素：
本发明提供一种n型和p型三层石墨烯插层化合物的制备方法。
本发明采用如下技术方案：
一种n型和p型三层石墨烯插层化合物的制备方法，包括如下步骤：
(1)将溴化碘与石墨混合加热制备三阶石墨插层化合物，使三阶石墨插层化合物在超临界水中进行化学反应产生气体剥离石墨片层，得到三原子层高质量石墨烯材料；
(2)运用熔融盐法将无水三氯化铁插入石墨烯层间，得到p型三层石墨烯插层化合物；将金属钾插入石墨烯层间，得到n型三层石墨烯插层化合物。
步骤(1)中的石墨优先选择10～10000目膨胀石墨，其次为高定向热解石墨、鳞片石墨、微晶石墨或者混合物。
步骤(1)中溴化碘与石墨混合加热的温度约为100℃，反应时间为24～72h。
步骤(1)中超临界水所处环境问温度为374℃以上，压力为22.1mpa以上。
步骤(2)中无水三氯化铁插入石墨烯层间反应温度为380～420℃，时间为12～48h。
步骤(2)中金属钾插入石墨烯层间反应温度为180～220℃，时间为0.5～12h。
本发明具有如下优势：
(1)本发明所用步骤简单，设备要求不高，适于工业或实验室操作。
(2)本发明制备的三层石墨烯插层化合物可以将双原子层的插层剂载入石墨烯片层之间，制备出具有不同电学、热学和磁学等性质的二维片状结构，既保留了石墨烯良好的电学、光学和热学等方面的性质，又引入了超导特性、催化特性和光学特性等新的物化特性，并且其纳米级厚度克服了传统的石墨插层化合物尺寸太大的缺点，可应用在新型微纳电子、超导体、透明电极、高频晶体管等器件的制造方面。
附图说明
图1为本发明方法制备石墨烯插层化合物的示意图。
图2为本发明方法制备三层石墨烯的tem图。
图3为本发明方法制备的p型石墨烯插层化合物的tem图。
图4为本发明方法制备的n型石墨烯插层化合物的tem图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)将30g溴化碘与50mg膨胀石墨混合均匀，填充入保护气ar气，密闭于50ml玻璃瓶中，置于100℃油浴环境中，加热12h，制备出三阶石墨插层化合物。
(2)将石墨插层化合物迅速从玻璃瓶中取出并过滤。
(3)将所有石墨插层化合物迅速放入石英舟中，将石英舟放到氩气保护氛围中。
(4)将石英舟加热到800℃，维持5min。
(5)反应完毕，取出样品，清洗样品得到石墨烯粉末聚集体。
(6)将0.3g无水fecl3与0.05g石墨烯粉末混合均匀，真空密闭于20ml规格真空安瓶中。
(7)将真空安瓶放入马弗炉，1h升温至380℃，维持12h。
(8)将产物溶于稀盐酸溶液中，抽滤烘干，得到p型三层石墨烯插层化合物。
图2为本实施例制备三层石墨烯的tem图。
图3为本实施例制备p型石墨烯插层化合物的tem图。
实施例2
(1)将30g溴化碘与50mg膨胀石墨混合均匀，填充入保护气ar气，密闭于50ml玻璃瓶中，置于100℃油浴环境中，加热12h，制备出三阶石墨插层化合物。
(2)将石墨插层化合物迅速从玻璃瓶中取出并过滤。
(3)将所有石墨插层化合物迅速放入石英舟中，将石英舟放到氩气保护氛围中。
(4)将石英舟加热到800℃，维持5min。
(5)反应完毕，取出样品，清洗样品得到石墨烯粉末聚集体。
(6)将0.5g金属钾与0.05g石墨烯粉末混合均匀，真空密闭于20ml规格真空安瓶中。
(7)将真空安瓶放入马弗炉，1h升温至180℃，维持4h，将金属钾插入石墨烯层间，得到n型三层石墨烯插层化合物。
(8)将产物溶于四氢呋喃溶液中，待用。
图4为本发明方法制备的n型石墨烯插层化合物的tem图。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。