一种硼掺杂石墨烯的制备方法

文档序号:10676902阅读:2047来源:国知局
一种硼掺杂石墨烯的制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种硼掺杂石墨烯的制备方法,所述方法包括向冰浴四氢呋喃溶剂中通氮气,加入碘单质和硼氢化钠混合搅拌2?4小时得到混合液;将氧化石墨烯用超声分散在四氢呋喃溶剂中,再将其加入至前述混合液中,25℃?120℃继续反应2?6天。停止反应后,常压过滤,抽滤,依次用四氢呋喃和水洗涤数次,最后冷冻干燥,得到硼掺杂量在1.5%?3.5%的掺杂石墨烯。本发明通过采用硼氢化钠作为硼源制得硼掺杂石墨烯材料,方法步骤简单,生长周期短,原料来源广泛且价格便宜,生产成本低,能够规模化生产并且具有良好的经济效益。
【专利说明】
一种硼掺杂石墨烯的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及石墨烯加工领域,更具体地涉及一种硼掺杂石墨烯的制备方法。
【背景技术】
[0002] 石墨烯有优异的机械性能、导热性能和导电性能,在很多方面起着无可替代的作 用,但其本身在很多聚合物中的溶解性较差,在基体中的分散性也有待提高,为了提高石墨 烯在多种情况下的应用范围,需要对其进行改性,调变其性能和结构。研究表明,在石墨烯 中掺杂其它元素可改善石墨烯的物理性能和电化学性能。由于硼原子具有较强的吸电子能 力,可以取代部分碳原子并且不改变石墨烯的结构,所以硼掺杂石墨烯在锂离子电池、催化 等领域有着广泛的应用。对于石墨烯来说,硼是一种非常合适的掺杂物质。硼的原子半径很 接近碳原子,掺杂后石墨烯不会出现很大的结构畸变;硼原子比碳原子少1个电子,通过硼 的掺杂可以实现石墨烯由半金属向半导体的转化,使石墨烯成为P型半导体。更为重要的 是,硼的掺入可以有效地改变石墨烯的电学性质,有利于制备出不同性能的优异电子器件。 现有的方法中,CVD和热退火法使用硼酸和三氧化二硼作为硼源,需要较高的反应温度,而 温度较低的溶液法使用硼烷四氢呋喃作为硼源,虽然反应温度较低,但是硼源价格较高,不 适合大规模生产应用。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的在于提供一种低成本、低温硼掺杂石墨烯的制备方法。
[0004] 本发明采用的技术方案如下:
[0005] -种硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:向冰浴四氢呋喃溶剂中通氮气,将碘 单质和硼氢化钠按一定比例混合,将混合物加入到冰浴四氢呋喃溶剂中,充分搅拌反应2-4 小时得到混合液;将足量的石墨烯四氢呋喃溶液加入至碘-硼氢化钠反应混合液中,加热至 25°C-120°C下继续反应2-6天,待反应结束后,常压过滤,抽滤,依次用四氢呋喃和水洗涤数 次,干燥,得到硼掺杂石墨烯材料。所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:所用碘单 质和硼氢化钠的质量比为1:2-3,硼氢化钠过量反应。
[0006] 所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:碘单质和硼氢化钠的反应时间为 2.5小时。
[0007] 所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:所用碘单质和硼氢化钠的质量比 为 1:2〇
[0008] 所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:氧化石墨烯/四氢呋喃分散液的浓 度为 0 · 5-1 · 5mg/mL。
[0009] 所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:氧化石墨烯/四氢呋喃分散液的浓 度为 lmg/mL。
[0010] 所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:将足量的石墨烯四氢呋喃溶液加 入至碘-硼氢化钠反应混合液中加热反应,加热的最佳反应温度100 °C,最佳反应时间4天。
[0011] 所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:最终产物的干燥方式为冷冻干燥。
[0012] 本发明方法所获得的石墨烯硼掺杂量为3.5%。
[0013] 本发明涉及硼掺杂石墨烯的制备方法,本发明方法通过一步溶液法获得硼掺杂石 墨烯。本发明的方法包括:向冰浴四氢呋喃溶剂中通氮气,加入碘单质和硼氢化钠混合搅拌 2-4小时得到混合液;将氧化石墨烯用超声分散在四氢呋喃溶剂中,再将其加入至前述混合 液中,25°C-120°C继续反应2-6天。待反应结束后,常压过滤,抽滤,用四氢呋喃洗涤数次,最 后干燥。
[0014] 所述硼氢化钠和碘单质物质量的比为1:2和1:3,特别优选为1:2。
[0015]在一个优选实施方式中,所述氧化石墨烯/四氢呋喃分散液的浓度为0.5-1.5mg/ mL,特别优选为lmg/mL。
[0016] 在一个优选实施方式中,所述加热的温度为25°c-120°c,特别优选为100°C。
[0017] 在一个优选实施方式中,所述继续反应的时间为2-6天,特别优选为4天。
[0018] 在一个优选实施方式中,所述的干燥方式为真空加热干燥、常压加热干燥和冷冻 干燥,特别优选为冷冻干燥。
[0019] 有益效果:
[0020] 本发明通过采用一步溶液法制备硼掺杂石墨烯,通过改变反应温度和时间得到不 同的硼掺杂比例,而且本发明方法步骤简单,生长周期短,原料价格便宜,生产成本低,可顺 利接入已有产业规划及生产。此外,制得的产品在光电器件、光催化、生物传感、燃料电池、 锂离子电池等领域展现出了广阔的前景。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明实施例1制备的硼掺杂石墨烯的透射电镜图;
[0022] 图2为本发明实施例1制备的硼掺杂石墨烯的X-射线光电子能谱图;
[0023] 图3为本发明实施例1制备的硼掺杂石墨烯的拉曼扫描图谱;
[0024] 图4为本发明实施例2制备的硼掺杂石墨烯的X-射线光电子能谱图;
[0025] 图5为本发明实施例3制备的硼掺杂石墨烯的X-射线光电子能谱图;
[0026] 图6为本发明实施例4制备的硼掺杂石墨烯的X-射线光电子能谱图;
[0027] 图7为本发明实施例5制备的硼掺杂石墨烯的X-射线光电子能谱图;
[0028] 图8为本发明实施例6制备的硼掺杂石墨烯的X-射线光电子能谱图。
【具体实施方式】
[0029]以下将通过实施例的方式进一步描述本发明,但应理解,这些实施例仅用于举例 说明本发明的目的而不用于限制本发明的范围。
[0030] 实施例1
[0031 ] -种硼掺杂石墨烯的制备方法,具体步骤如下:
[0032]向冰浴四氢呋喃溶剂中通氮气,加入碘单质和硼氢化钠以物质量比为1: 2的比例 混合搅拌2.5小时得到混合液;将2倍于硼氢化钠质量的单层氧化石墨烯用超声分散在四氢 呋喃溶剂中,浓度为lmg/mL,再将其加入至前述混合液中,此时溶液呈现深棕色,100°C继续 反应4天,溶液颜色呈黑色后,常压过滤,抽滤,用四氢呋喃洗涤数次,最后冷冻干燥。
[0033]对所获得的产物进行透射电镜研究,其中本实施例1制备的硼掺杂石墨烯的透射 电镜图如图1所示。从图1可以清楚地看到,本实施例1硼掺杂氧化石墨烯依然保持着原始氧 化石墨烯的超薄二维层状结构,但是有较多的折叠和弯曲。这可能是由于在硼掺杂的过程 中,产生了硼的缺电子中心,在库仑斥力的作用下,平整的二维层状结构发生弯曲和折叠, 另一方面,硼原子的引入使石墨烯产生了更多的缺陷位点,在表面张力的作用下,碳片层会 更多的弯曲和折叠。图2是实施例1获得的硼掺杂石墨烯的XPS谱图,192eV对应的是B的Is 峰,说明硼掺杂氧化石墨烯中硼成功地掺杂进石墨烯中,且掺杂量是3.5% (见表1)。图3是 实施例1硼掺杂石墨烯的拉曼光谱,由于硼原子的掺杂,硼掺杂氧化石墨烯表面产生了更多 的活性位点,计算得到硼掺杂氧化石墨稀Id/Ig=1 .18,高于氧化石墨稀的Id/Ig(1 .14)。 [0034] 实施例2
[0035] 向冰浴四氢呋喃溶剂中通氮气,加入碘单质和硼氢化钠以物质量比为1: 2的比例 混合搅拌2.5小时得到混合液;将3倍于硼氢化钠质量的单层氧化石墨烯用超声分散在四氢 呋喃溶剂中,浓度为1.5mg/mL,再将其加入至前述混合液中,此时溶液呈现深棕色,100°C继 续反应4天。当溶液颜色呈黑色后,常压过滤,抽滤,用四氢呋喃洗涤数次,最后冷冻干燥。通 过XPS光谱(图4)说明硼成功的掺杂进石墨烯中,且掺杂量是2.95%。
[0036] 实施例3
[0037] 向冰浴四氢呋喃溶剂中通氮气,加入碘单质和硼氢化钠以物质量比为1: 2的比例 混合搅拌2.5小时得到混合液;将2倍于硼氢化钠质量的单层氧化石墨烯用超声分散在四氢 呋喃溶剂中,浓度为1 .〇mg/mL,再将其加入至前述混合液中,此时溶液呈现深棕色,25°C继 续反应4天。随后,常压过滤,抽滤,用四氢呋喃洗涤数次,最后冷冻干燥。图5是实施例3获得 的硼掺杂石墨烯的XPS谱图,说明硼掺杂氧化石墨烯中成功的掺杂进石墨烯中,且掺杂量是 1.57%。
[0038] 实施例4
[0039] 向冰浴四氢呋喃溶剂中通氮气,加入碘单质和硼氢化钠以物质量比为1: 2的比例 混合搅拌2.5小时得到混合液;将2倍于硼氢化钠质量的单层氧化石墨烯用超声分散在四氢 呋喃溶剂中,浓度为1 .Omg/mL,再将其加入至前述混合液中,此时溶液呈现深棕色,60°C继 续反应4天,溶液呈现深灰色。待反应结束后,常压过滤,抽滤,用四氢呋喃洗涤数次,最后冷 冻干燥。图6是实施例4获得的硼掺杂石墨烯的XPS谱图,说明硼掺杂氧化石墨烯中成功的掺 杂进石墨烯中,且掺杂量是1.82%。
[0040] 实施例5
[0041 ]向冰浴四氢呋喃溶剂中通氮气,加入碘单质和硼氢化钠以物质量比为1: 2的比例 混合搅拌2.5小时得到混合液;将2倍于硼氢化钠质量的单层氧化石墨烯用超声分散在四氢 呋喃溶剂中,浓度为1 .Omg/mL,再将其加入至前述混合液中,100°C继续反应2天,溶液呈现 深灰色。待反应结束后,常压过滤,抽滤,用四氢呋喃洗涤数次,最后冷冻干燥。图7是实施例 5获得的硼掺杂石墨烯的XPS谱图,说明硼掺杂氧化石墨烯中成功的掺杂进石墨烯中,且掺 杂量是2.02%。
[0042] 实施例6
[0043] 向冰浴四氢呋喃溶剂中通氮气,加入碘单质和硼氢化钠以物质量比为1: 2的比例 混合搅拌2小时得到混合液;将2倍于硼氢化钠质量的单层氧化石墨烯用超声分散在四氢呋 喃溶剂中,浓度为1 .Omg/mL,再将其加入至前述混合液中,100°C继续反应2天,溶液呈现深 灰色。待反应结束后,常压过滤,抽滤,用四氢呋喃洗涤数次,最后冷冻干燥。图7是实施例5 获得的硼掺杂石墨烯的XPS谱图,说明硼掺杂氧化石墨烯中成功的掺杂进石墨烯中,且掺杂 量是1.97%。
[0044] 实施例1获得的硼掺杂石墨烯成品中各组分的百分含量见表1。
[0045] 表 1
[0047]由表1可以说明硼掺杂氧化石墨烯中硼成功地掺杂进石墨烯中,且掺杂量是 3.5%〇
【主权项】
1. 一种硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:向冰浴四氢呋喃溶剂中通氮气,将碘单 质和硼氢化钠按一定比例混合,将混合物加入到冰浴四氢呋喃溶剂中,充分搅拌反应2-4小 时得到混合液;将足量的石墨烯四氢呋喃溶液加入至碘-硼氢化钠反应混合液中,加热至25 °C-120°C下继续反应2-6天,待反应结束后,常压过滤,抽滤,依次用四氢呋喃和水洗涤数 次,干燥,得到硼掺杂石墨烯材料。2. 根据权利要求1所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,所用碘单质和硼氢化 钠的质量比为1:2-3,硼氢化钠过量反应。3. 根据权利要求1所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:碘单质和硼氢化钠的 反应时间为2.5小时。4. 根据权利要求1所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,所用碘单质和硼氢化 钠的质量比为1:2。5. 根据权利要求1所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:氧化石墨烯/四氢呋 喃分散液的浓度为0 · 5-1 · 5 mg/mL。6. 根据权利要求1所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:氧化石墨烯/四氢呋 喃分散液的浓度为1 mg/mL。7. 根据权利要求1所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:将足量的石墨烯四氢 呋喃溶液加入至碘-硼氢化钠反应混合液中加热反应,加热的最佳反应温度l〇〇°C,最佳反 应时间4天。8. 根据权利要求1所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于:最终产物的干燥方式 为冷冻干燥。
【文档编号】C01B31/04GK106044748SQ201610319660
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】徐颖, 曹晏, 李亚飞, 李昂, 周小雄, 潘驭, 潘驭一
【申请人】安徽大学
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1