调控烯碳材料红外发射率的方法及其应用

1.本属于碳材料领域，具体涉及一种调控石墨烯红外发射率的方法。


背景技术：

2.烯碳材料具有优异的红外辐射特性，例如石墨烯的红外辐射率一般大于0.7，被广泛应用于辐射加热、光热转换等领域(gao,c.et al.nat.commun.2020,11,6368；silva,s.r.et al.sci.adv.2016,2,e1501238)。然而，高的红外发射率在某些特定场景中(如传导加热)会造成过多的能量耗散。考虑到烯碳不同的应用场景，需要发展一种调控烯碳材料红外发射率的方法，以满足烯碳材料在不同场景中的应用。
3.需注意的是，前述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供一种调控烯碳材料红外发射率的方法、通过该方法制备的烯碳材料及包含该烯碳材料的器件，以解决现有烯碳材料红外发射率难以精确调控的问题。
5.本发明一方面提供一种调控烯碳材料红外发射率的方法，通过对烯碳材料进行掺杂来调控烯碳材料的红外发射率。
6.根据本发明的一实施方式，所述掺杂为：晶格掺杂、吸附掺杂中的一种或两种。
7.根据本发明的另一实施方式，通过化学气相沉积在烯碳材料晶格中掺杂异质原子。
8.根据本发明的另一实施方式，所述异质原子选自硼、氮、磷、硫、氟、氯中的一种或多种。
9.根据本发明的另一实施方式，以经过所述晶格掺杂的烯碳材料的总摩尔量为100％计，所述异质原子掺杂量0.05-10％。
10.根据本发明的另一实施方式，所述吸附掺杂为：将化学试剂吸附于烯碳材料表面进行掺杂，所述化学试剂包括四氯合金酸、硝酸、盐酸、二亚乙基三胺、氨中的一种或多种。
11.根据本发明的另一实施方式，所述吸附掺杂为将溶解所述化学试剂的溶液浸润所述烯碳材料，所述溶液中所述化学试剂的浓度为0.01-10mol/l，浸润时间为0.05-5h。
12.根据本发明的另一实施方式，所述烯碳材料选自石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、纳米碳球中的一种或多种。
13.本发明另一方面提供一种由上述方法制备的烯碳材料。
14.本发明另一方面还提供一种包含上述烯碳材料的器件。
15.本发明提出的一种调控烯碳材料红外发射率的方法，通过对烯碳材料进行掺杂来调控烯碳材料的红外发射率。该方法有望适应烯碳材料在不同场景中的应用，同时推动烯碳在材料发射率标定等新型领域的应用。
附图说明
16.图1是实施例1制备的石墨烯掺杂前后拉曼光谱峰变化。
17.图2是实施例1不同前驱体比例下石墨烯发射率的变化。
18.图3是实施例2溶剂处理前后石墨烯膜面电阻变化。
19.图4是实施例2溶剂处理前后石墨烯膜红外发射光谱对比。
具体实施方式
20.下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。
21.烯碳材料由于其独特的结构特点，在可见到红外波段具有宽谱吸收率。。根据基尔霍夫定律，热平衡状态下材料红外吸收率等于红外发射率。因此，本发明基于传统烯碳材料存在的上述问题，提出了一种简便、快捷通过掺杂调节烯碳材料的能带结构，改变其发射率的方法，有望适应石墨烯材料在不同场景中的应用，同时推动石墨烯在材料发射率标定、建筑物辐射热管理等新型领域的应用。
22.在可选的实施方式中，掺杂可以是：晶格掺杂、吸附掺杂中的一种或两种。
23.在可选的实施方式中，通过化学气相沉积在烯碳材料晶格中掺杂异质原子。
24.在可选的实施方式中，异质原子选自硼、氮、磷、硫、氟、氯中的一种或多种。
25.在可选的实施方式中，以经过晶格掺杂的烯碳材料的总摩尔量为100％计，异质原子掺杂量0.05-10％。异质原子的掺杂量小于0.05％时，对烯碳材料的红外发射率改变不大；异质原子掺杂量大于10％，则会严重破坏烯碳材料的晶格结构，丧失烯碳材料的本征特性。化学气相沉积过程引入异质原子掺杂时，引入除碳源外的含其他异质原子前驱体(包括硼、氮等)。碳源包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯、苯甲酸，含氮前驱体选自氨气、乙腈、吡啶、吡咯和甲胺中的一种或多种，所述含硼前驱体选自苯硼酸、乙硼烷、硼粉和三乙基硼烷中的一种或多种。通过调节化学气相沉积过程中的条件控制异质原子的掺杂量从而实现对红外发射率的调控。本领域技术人员可以根据所需的红外发射率，选择具体掺杂的异质原子及其相应的掺杂率，掺杂率可以是0.05％、0.1％、0.5％、1.0％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％等。
26.在可选的实施方式中，吸附掺杂可以是：将化学试剂吸附于烯碳材料表面进行掺杂，所述化学试剂包括四氯合金酸、硝酸、盐酸、二亚乙基三胺、氨中的一种或多种。可以是任何适当的将化学试剂吸附到烯碳材料表面的方式，例如但不限于，用溶解有化学试剂的溶液浸润烯碳材料一定时间。溶液中化学试剂的浓度为0.01-10mol/l，处理时间为0.05-5h。本领域技术人员可以根据所需的红外发射率选择适当浓度和处理时间从而实现对红外发射率的调控。溶液的浓度和处理时间，可以是但不限于，浓度可以是0.01mol/l、0.1mol/l、1mol/l、2mol/l、3mol/l、4mol/l、5mol/l、6mol/l、7mol/l、8mol/l、9mol/l、10mol/l等，处理时间可以是0.05h、0.1h、0.5h、1h、2h、3h、4h、5h等。
27.在可选的实施方式中，烯碳材料选自石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、纳米碳球中的一种或多种。烯碳材料可以是任何结构的，例如石墨烯材料的结构可以是粉体、纤维、薄膜、气凝胶或三维石墨烯纳米墙，石墨烯层数可以在1-50层可调，优选为5-10层。其他烯碳材料的结构也可以是任何结构。
28.通过本发明方法制备的烯碳材料可以在不同场景中的应用，例如但不限于石墨烯
玻璃、液相剥离的石墨烯粉体、还原氧化石墨烯等。
29.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
30.实施例1
31.将清洗后的市售的石英玻璃置于三英寸管式炉中升温至1100℃，通入500sccm氩气，100sccm氢气，250sccm乙醇和乙腈(二者体积比从1：1变化至10：1)，沉积3h后，待样品随炉冷却后，从管式炉中取出，即可得到目标的掺杂样品。(未掺杂的对比组样品反应条件为：500sccm氩气，100sccm氢气，250sccm乙醇，反应3h)。
32.图1为实施例1掺杂前后拉曼光谱峰变化，石墨烯典型特征峰出现(d峰、g峰、2d峰)证明了石英表面包覆上一层石墨烯，且掺杂后拉曼g峰和2d峰蓝移比例接近1：3，说明石墨烯中引入了掺杂。图2为不同乙醇和乙腈比例下石墨烯发射率的变化，说明了反应过程中可以调节碳源和氮源比例调节石墨烯的发射率。
33.实施例2
34.1)将市售的氧化石墨烯分散液(南京先丰纳米材料科技有限公司)刮涂在玻璃片表面。之后，将从基底剥离下的氧化石墨烯膜放入氢碘酸中在90℃条件下还原12h，洗涤、干燥。
35.2)将步骤1)还原后的石墨烯膜浸入2mol
·
l-1
的硝酸溶液中，处理10分钟，取出干燥得到目标样品。
36.图3为实施例2溶剂处理前后石墨烯膜面电阻变化情况，可以看出溶剂处理后石墨烯面电阻降低，侧面验证了石墨烯存在掺杂。图4为实施例2制备溶剂处理前后石墨烯红外发射光谱，可以看出石墨烯红外发射率显著降低。
37.综上，本发明提供了一种调节石墨烯发射率的新方法。通过对石墨烯进行掺杂的方式调节石墨烯的发射率。该方法不仅可以与现有的化学气相沉积方式可以融合，同时对于涂敷的石墨烯材料或者石墨烯粉体及其组装的石墨烯膜、石墨烯纤维等多种形态结构的石墨烯材料均可以通过后处理的方式实现掺杂，普适性广，且可以大大拓展石墨烯材料的应用范围，具有良好的应用前景。
38.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。