一种石墨烯纳米带的制备方法与流程

本发明涉及化学材料合成技术领域，特别是涉及一种石墨烯纳米带的制备方法。

背景技术

近年来，作为一维材料的石墨烯纳米带引起了人们广泛的关注。石墨烯纳米带不仅继承了石墨烯的基本性质，而且还拥有许多石墨烯所不具备的性质。特殊的能带结构使得石墨烯纳米带具有独特的电学、磁学及光学性质。石墨烯纳米带在场效应晶体管、气体传感、光探测器及储能等方面表现出巨大的应用前景。然而，缺乏经济高效的制备方法来实现石墨烯纳米带的量产，导致其应用受到极大的限制。

当前用来制备石墨烯纳米带的主要方法可分为从底至上及从上至下两类方法。从底至上的制备方法一般是以小分子有机碳作为前驱体，在极其高真空的条件下来制备石墨烯纳米带。其合成条件苛刻，所用设备昂贵，不利于石墨烯纳米带的经济化量产。对于从上至下的制备方法，一般是通过离子束、电化学、催化剂或者强氧化剂及还原剂来实现碳管的切割来实现石墨烯纳米带的制备。

一般认为通过强氧化剂及还原剂的方法来切割碳管从而制备石墨烯纳米带的方法是可以实现石墨烯纳米带的量产，但是所制备的石墨烯纳米带往往有很多缺陷，这大大限制了石墨烯纳米带的实际应用，并且强氧化剂及还原剂对环境影响巨大。因此需求一种简便的能实现石墨烯纳米带的量产技术极为关键。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种石墨烯纳米带的制备方法，能够简化石墨烯纳米带的制备工艺流程。

为了解决上述问题，本发明提供了一种石墨烯纳米带的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

s1、加热具有一维孔道的分子筛晶体，所述一维孔道中存在有机胺小分子，以使所述有机胺小分子在所述孔道内合成单壁碳管；

s2、去除所述分子筛晶体，以使所述单壁碳管破裂形成所述石墨烯纳米带。

在一实施例中，所述分子筛晶体中的所述一维孔道的尺寸小于或等于0.73纳米。

在一实施例中，所述石墨烯纳米带前驱体为二丙胺。

可选的，在步骤s1中，所述加热具有一维孔道的分子筛晶体为：在氮气、氩气或真空气氛下加热所述具有一维孔道的分子筛晶体。

可选的，在步骤s1中，所述加热具有一维孔道的分子筛晶体的加热温度范围为[450℃，800℃]。

在一实施例中，步骤s2进一步包括：

s21、采用碱性溶液溶解所述分子筛晶体；

s22、再加入酸性溶液进行中和；

s23、从中和后的溶液中分离出所述单壁碳管破裂后得到的材料；

s24、再将分离出的材料进行冷冻干燥得到所述石墨烯纳米带。

在一实施例中，所述碱性溶液为强碱性溶液；所述酸性溶液为强酸性溶液。

可选的，在步骤s23中，采用高速离心从中和后的溶液中分离出所述单壁碳管破裂后得到的材料。

可选的，在步骤s2中，利用浓硝酸或浓硫酸去除所述分子筛晶体。

在一实施例中，所述分子筛晶体为无掺杂分子筛晶体、单元素掺杂分子筛晶体、或多元素掺杂分子筛晶体。

有益效果：相比于现有技术，本发明提出的石墨烯纳米带的制备方法利用加热具有一维孔道的分子筛晶体，所述一维孔道中存在有机胺小分子，以使所述有机胺小分子在所述孔道内合成单壁碳管；再去除所述分子筛晶体，以使所述单壁碳管破裂形成所述石墨烯纳米带。由此，本发明的石墨烯纳米带的制备方法将分子筛晶体的一维孔道中保留的有机胺小分子作为石墨烯纳米带的前驱体，进而在一维孔道中形成单壁碳管，而单壁碳管在自由状态下无法稳定存在，由此，再进一步将作为框架的分子筛晶体去除掉，进而使单壁碳管在分子筛晶体去除掉后自动破裂，进而形成石墨烯纳米带。本发明的上述制备方法可通过简单的制备工艺有效的制备出石墨烯纳米带，制备工艺和流程都得到了简化。

附图说明

图1是本发明石墨烯纳米带的制备流程示意图；

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图，对本发明实施例的技术方案进行详细说明。

本发明的石墨烯纳米带的制备方法可包括如下步骤：

在步骤s1中，加热具有一维孔道的分子筛晶体，所述一维孔道中存在有机胺小分子，以使所述有机胺小分子在所述孔道内合成单壁碳管。

分子筛晶体是一类具有规则微孔结构的硅铝酸盐晶体，其具有一般无机膜材料的固有的物理化学特性，进一步的，其具有均一的规则的、特定的空间走向的结晶孔道系统。

本发明的石墨烯纳米带的制备方法利用了具有一维孔道的分子筛晶体，其中，分子筛晶体的一维孔道中保留有制备分子筛晶体所残留的有机胺小分子。本步骤通过加热保留有机胺小分子的分子筛晶体，以使其中的有机胺小分子作为单壁碳管的前驱体，有机胺小分子通过加热在一维孔道中形成合成单壁碳管。

在本实施例中，加热分子筛晶体是在氩气(ar)或氮气(n2)气氛中进行加热的。在其他实施方式中，也可在加热过程中采用持续抽真空的方式，也可令有机胺小分子合成单壁碳管。

本实施例中，加热分子筛晶体的加热温度范围为450℃至800℃之间(可包括450℃和800℃)，其加热时间可根据具体的加热温度进行调整，例如，当加热温度为550℃时，加热时间可为3小时左右。本实施例可根据加热温度对加热时间进行适当的调整，本实施例不做具体限制。

进一步，本实施例的分子筛晶体可为元素掺杂分子筛晶体或无掺杂分子筛晶体，本发明不做具体限制。此外，若分子筛晶体为元素掺杂分子筛晶体，其掺杂元素可包括锌(zn)、钴(co)、镁(mg)、锰(mn)、铁(fe)、硅(si)等元素中的一种元素或多种元素，换言之，分子筛晶体可谓单一元素掺杂，也可以为多种元素掺杂。

在步骤s2中，去除所述分子筛晶体，以使所述单壁碳管破裂形成所述石墨烯纳米带。

在步骤s1中合成的单壁碳管在自由状态下无法稳定存在。本步骤进一步通过将单壁碳管的支持模板，即分子筛晶体进行去除，分子筛晶体去除后，单壁碳管则处于自由状态，由此单壁碳管便会自动破裂进而形成石墨烯纳米带。

本实施例中，由于前驱体为有机胺小分子，因此制备得到的单壁碳管为氮掺杂，由此最终得到的石墨烯纳米带也为氮掺杂。

本实施例的上述制备方法流程可如图1所示。

本发明的石墨烯纳米带的制备方法通过将分子筛晶体的一维孔道中保留的有机胺小分子作为石墨烯纳米带的前驱体，通过加热令有机胺小分子在一维孔道中合成单壁碳管，而单壁碳管在自由状态下无法稳定存在，由此，再进一步将作为框架的分子筛晶体去除掉，进而使单壁碳管在分子筛晶体去除掉后自动破裂，进而形成石墨烯纳米带。本发明的上述制备方法可通过简单的制备工艺有效的制备出石墨烯纳米带，制备工艺和流程都得到了简化，可简单高效的制备得到石墨烯纳米带材料。

在本实施例中利用的分子筛晶体可通过水热合成法制备得到，此外，也可通过气相合成法、离子热合成法等方法制备得到，本发明不做具体限制。进一步，分子筛晶体中的一维孔道的尺寸小于或等于0.73纳米，其一维孔道内保留的有机胺小分子可以为二丙胺((ch3ch2ch2)2nh)。本实施例以水热合成法为例，在170℃的加热环境中加热40小时，以制备得到满足上述条件的分子筛晶体；再进一步利用该分子筛晶体执行上述的步骤s1和步骤s2，进而制备得到石墨烯纳米带。在本实施例中单壁碳管的尺寸受到一维孔道的尺寸的限制，单壁碳管的直径可小于或等于0.4纳米。

进一步，本实施例的步骤s2中去除所述分子筛晶体可包括如下步骤：

在步骤s21中，采用碱性溶液溶解所述分子筛晶体。

在步骤s22中，再加入酸性溶液进行中和。

在步骤s23中，从中和后的溶液中分离出所述单壁碳管破裂后得到的材料。

在步骤s24中，再将分离出的材料进行冷冻干燥得到所述石墨烯纳米带。

本实施例通过氢氧化钠(naoh)或氢氧化钾(koh)等强碱性物质溶液溶解分子筛晶体，进一步，加入强碱性物质溶液时可加入过量碱溶液，以及可配合超声处理加速分子筛晶体的溶解。待分子筛晶体被溶解完成后，再在碱性溶液中加入氯化氢(hcl)或氟化氢(hf)等强酸性溶液进行中和，以使溶液成中性(即ph值达到7左右)。可以理解的是，在中和后的溶液中单壁碳管已经由于失去分子筛晶体的支撑而处于自由状态，即单笔碳管即可发生破裂，形成了石墨烯纳米带的材料。进一步，采用高速离心的方式，从混合溶液中分离出石墨烯纳米带的材料，进行材料收集；进一步，对收集到的材料进行冷冻干燥，最终得到石墨烯纳米带。

在其他实施例中，也可采用过滤等方式从混合溶液中分离出石墨烯纳米带的材料，本发明不做具体限制。

通过本发明通过上述制备流程制备得到的石墨烯纳米带为氮掺杂，长度可大于或等于1微米，宽度可再10纳米至30纳米之间(包括10纳米和30纳米)，层数为2至7层。

进一步，通过本发明制备得到的石墨烯纳米带可作为锂离子电池负极材料，相比于传统商业石墨电极而言，本发明得到的石墨烯纳米带做为电池负极材料制备的锂离子电池具有更加优越的性能。

以上描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施方式中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。