一种石墨烯纳米带的超声单向裂解制备方法与流程

本发明涉及石墨烯纳米带制备领域，尤其涉及一种以石墨插层化合物为原料的超声单向裂解法高效制备石墨烯纳米带。

背景技术：

石墨烯是一种完全由碳原子构成的厚度仅为单原子层或数个单原子层的准二维晶体材料，具有最薄、最牢固、高硬度、高导热系数、高电子迁移率、几乎完全透明等特性，可用来发展更薄且导电速度更快的新一代电子元件、透明触控屏幕、气体传感器、复合材料、场发射材料等。石墨烯纳米带作为石墨烯的一种准一维子结构，传承了石墨烯的高电导率、高热导率等许多优异性能。同时，石墨烯纳米带也由于量子限域效应，其宽度强烈影响其能隙大小，是极具潜力的新型碳基纳米材料，在光电器件等领域具有潜在的实用价值。

石墨烯纳米带可以通过“自上而下”的剪切石墨烯或切割碳纳米管方法，或者“自下而上”的有机合成法或化学气相沉积法等制备。其中有机合成法难以批量生产，化学气相沉积法需要进行样品转移而引入缺陷、污染，破坏结构完整性，而且有机合成法与化学气相沉积法制备条件要求高，耗能大。切割碳纳米管法包含电极切割碳纳米管法、混酸切割碳纳米管法、钾气裂解碳纳米管法、等离子体刻蚀碳纳米管法等。剪切石墨烯包括等离子体刻蚀石墨烯法、半月板掩模光刻石墨烯法、二维胶体晶体刻蚀石墨烯法等。其中，碳纳米管由于其特殊的圆柱结构，经过化学刻蚀后可以打开闭合结构，展开为石墨烯纳米带。而以石墨烯作为原料制备石墨烯纳米带，通常必须通过模板才能得到特定的带状形状，无法通过类似于混酸切割碳纳米管的方法得到纳米带，导致目前的剪切石墨烯方法难以批量生产的缺点，迫切需要一种通过化学方法批量处理石墨烯得到石墨烯纳米带的方法。

技术实现要素：

提出了一种以石墨插层化合物为原料的超声单向裂解法高效制备石墨烯纳米带。超声法剥离石墨制备石墨烯的过程中，超声波的空化作用除了可以破坏石墨片层间的范德瓦耳斯力，将片层剥离出来形成石墨烯，还可以破坏片层本身的结构，使片层“碎片化”，从而使其面积变得更小。控制超声波对石墨片层无规律的碎片化，则可作为得到石墨烯纳米带的一种途径。本发明采用的石墨插层化物片层间的插层物质可以与外界添加的反应物质接触，发生剧烈反应而产生大量气体，气体的剧烈膨胀与超声的“碎片化”共同作用于片层形成一种叠加效果。因为插层物质与外界反应物只有接触才可能发生反应，这个反应过程由石墨片层外围逐步向内层延伸，未与外界添加反应物质接触的插层区域仍然保持稳定的相互作用力，导致石墨片层结构在叠加效果的作用下沿化学反应界面裂解，从而呈现出平行的裂缝，形成石墨烯纳米带。

本发明采用如下技术方案：

一种石墨烯纳米带的超声单向裂解制备方法，包括如下步骤：

(1)用超声波细胞破碎仪将石墨插层化合物分散在有机溶液中，向溶液中添加可与石墨片层间插层剂反应的硼氢化钠碱性溶液、水合肼或过氧化氢溶液，在超声波清洗器的超声作用下进行快速反应；

(2)将反应产物过滤并清洗，用超声波细胞破碎仪将反应产物分散在n-甲基吡咯烷酮溶液中，对溶液离心处理并静置，未裂解的石墨烯团聚并沉在底部，取出上层悬浮液并过滤，得到石墨烯纳米带粉体。

步骤(1)中石墨插层化合物的插层剂是金属卤化物，具体为氯化镍、氯化锑、氯化铁或氟化锑，优选氯化铁。

步骤(1)中的有机溶液包括n-甲基吡咯烷酮、醛类、有机酸、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、氯苯、二氯苯及其混合物，优选n-甲基吡咯烷酮。

步骤(1)中硼氢化钠碱性溶液、水合肼或过氧化氢溶液，优选硼氢化钠溶液为ph为13的碱性溶液，水合肼质量比为30％，过氧化氢质量浓度为30％。

步骤(2)中离心处理的转速为500～10000r/min，优选1500r/min。

本发明具有如下优势：

(1)本发明所述方法以石墨插层化合物为原料制备石墨烯纳米带，原料稳定且容易制备。

(2)本发明所述方法在室温与大气环境下即可进行，对设备的要求较低，适于工业或实验室操作。

(3)本发明所述方法的产量要远远大于等离子体刻蚀石墨烯法、半月板掩模光刻石墨烯法等传统方法，为石墨烯纳米带大规模量产提供了一条途径。

附图说明

图1为本发明方法实施例1制备石墨烯超声单向裂解的透射电镜图。

图2为本发明方法实施例1制备石墨烯纳米带的透射电镜图。

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0.3g无水fecl3与0.05g膨胀石墨混合均匀，真空密闭于20ml规格真空安瓶中，1h升温至380℃，维持12h。将黑色产物溶于稀盐酸溶液中，抽滤烘干，待用。

(2)使用超声波细胞破碎仪将石墨插层化合物分散到50ml有机溶剂n-甲基吡咯烷酮中，制备5mg/ml的悬浮液。

(3)取40ml悬浮液放入玻璃杯中，加入10mlph为13的碱性溶液的硼氢化钠碱性水溶液，超声处理反应30min。

(4)将反应产物过滤并清洗，用超声波细胞破碎仪将反应产物分散在n-甲基吡咯烷酮等溶液中。

(5)以1500r/min的转速对溶液离心处理并静置12h，取出上层悬浮液并过滤，得到石墨烯纳米带粉体。

本实施例制备石墨烯纳米带的质量约为膨胀石墨质量的14％。

实施例2

(1)将0.3g无水fecl3与0.05g膨胀石墨混合均匀，真空密闭于20ml规格真空安瓶中，1h升温至380℃，维持12h。将产物溶于稀盐酸溶液中，抽滤烘干，待用。

(2)使用超声波细胞破碎仪将石墨插层化合物分散到50ml有机溶剂n-甲基吡咯烷酮中，制备5mg/ml的悬浮液。

(3)取40ml悬浮液放入玻璃杯中，加入10ml质量比为30％水合肼溶液，超声处理反应30min。

(4)将反应产物过滤并清洗，用超声波细胞破碎仪将反应产物分散在n-甲基吡咯烷酮等溶液中。

(5)以1500r/min的转速对溶液离心处理并静置12h，取出上层悬浮液并过滤，得到石墨烯纳米带粉体。

本实施例制备石墨烯纳米带的质量约为膨胀石墨质量的12％。

实施例3

(1)将0.3g无水fecl3与0.05g膨胀石墨混合均匀，真空密闭于20ml规格真空安瓶中，1h升温至380℃，维持12h。将产物溶于稀盐酸溶液中，抽滤烘干，待用。

(2)使用超声波细胞破碎仪将石墨插层化合物分散到50ml有机溶剂n-甲基吡咯烷酮中，制备5mg/ml的悬浮液。

(3)取40ml悬浮液放入玻璃杯中，加入10ml质量分数为30％的双氧水溶液，超声处理反应30min。

(4)将反应产物过滤并清洗，用超声波细胞破碎仪将反应产物分散在n-甲基吡咯烷酮等溶液中。

(5)以1500r/min的转速对溶液离心处理并静置12h，取出上层悬浮液并过滤，得到石墨烯纳米带粉体。

实施例4

(1)将0.3g无水fecl3与0.05g膨胀石墨混合均匀，真空密闭于20ml规格真空安瓶中，1h升温至380℃，维持12h。将黑色产物溶于稀盐酸溶液中，抽滤烘干，待用。

(2)使用超声波细胞破碎仪将石墨插层化合物分散到50ml有机溶剂n-甲基吡咯烷酮中，制备5mg/ml的悬浮液。

(3)取40ml悬浮液放入玻璃杯中，加入10mlph为13的碱性溶液的硼氢化钠碱性水溶液，超声处理反应1h。

(4)将反应产物过滤并清洗，用超声波细胞破碎仪将反应产物分散在n-甲基吡咯烷酮等溶液中。

(5)以1500r/min的转速对溶液离心处理并静置12h，取出上层悬浮液并过滤，得到石墨烯纳米带粉体。

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。