CN102616770B - 一种水蒸气刻蚀碳纳米管制备石墨烯纳米带的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水蒸气刻蚀碳纳米管制备石墨烯纳米带的方法。该方法将多壁碳纳米管放入聚四氟乙烯内衬中，并加入一定量的蒸馏水，振荡使碳纳米管分散均匀，然后将聚四氟乙烯内衬放入反应釜中，加热到150-225℃，恒温5h-20h，使多壁碳纳米管从纵向裂解开，形成高质量的石墨烯纳米带。采用本发明制备的石墨烯纳米带具有褶皱少、不易团聚、层数可控、产率高等优点，同时制备过程简单易操作，可以一步完成，无须采用表面活性剂进行分散，过程无污染，绿色环保。本发明克服了其他方法制备石墨烯的中存在的过程繁琐、污染严重、产率低等缺点。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯制备领域，具体涉及一种水蒸气刻蚀碳纳米管制备石墨烯纳米带的方法，是一种过程简单、绿色环保的制备方法。
背景技术
石墨烯纳米带是一种具体有独特电子性能的一种新型材料。近几年，石墨烯引起了人们的广泛的关注，它的奇特的物理化学性质激起了人们的极大的兴趣。石墨烯纳米带作为石墨烯材料中的一种，由于它具有光滑的边缘、较小的宽度、较宽的能带隙使其在场效应晶体管中有着巨大的应用。近些年报道的制备石墨烯纳米带的方法有很多，比如氧化还原法、超声法、裂解碳管法等。其中裂解碳管法由于其可以控制石墨烯纳米带的宽度和层数，在众多方法中脱颖而出。裂解碳管法主要是用一些氧化剂去刻蚀碳纳米管，使其产生缺陷从而使碳管裂解开，形成石墨烯纳米带。比如有采用高温煅烧然后借助一些表面活性剂（PmPV）在有机溶剂(1,2-二氯乙烷)中超声，得到石墨烯纳米带。但是该方法需要高温，步骤繁琐，所采用的表面活性剂（PmPV）有毒。也有人采用强氧化剂如金属钠、钾等来刻蚀碳管而得到石墨烯纳米带。但合成的石墨烯纳米带质量不高而且产率很低。本发明采用水蒸气刻蚀碳纳米管并裂解获得石墨烯纳米带，具有步骤简单、条件温和、产率高、无须采用有毒试剂、制备的石墨烯纳米带质量好等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水蒸气刻蚀碳纳米管制备石墨烯纳米带的方法，采用本发明制备的石墨烯纳米带具有褶皱少、不易团聚、层数可控、产率高等优点，同时制备过程简单易操作，可以一步完成，无须采用表面活性剂进行分散，过程无污染，绿色环保，解决了一般制备方法中存在的过程繁琐、污染严重、产率低、石墨烯褶皱多等缺点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水蒸气刻蚀碳纳米管制备石墨烯纳米带的方法是，将多壁碳纳米管放入聚四氟乙烯内衬中，并加入一定量的蒸馏水，振荡使碳纳米管分散均匀，然后将聚四氟乙烯内衬放入反应釜中，加热到150-225℃，恒温5h-20h，使多壁碳纳米管从纵向裂解开，形成高质量的石墨烯纳米带。
所述的多壁碳纳米管原料为单质C，原料多壁碳纳米管的质量分数大于95%。
所加入的碳纳米管的质量与聚四氟乙烯内衬的体积比m纳米管/V衬为0.025g-0.10g/100mL。
所加入蒸馏水的体积与聚四氟乙烯内衬的体积比V水/V衬为0.5-2:100。
本发明的水蒸气刻蚀法除了具有可以大批量制备、边缘光滑、纳米带质量好等优点外，还具有如下几种独特的优点：1）能够一步合成制备出尺寸小的石墨烯纳米带，方法简便、成本低、产率高；2）制备过程中无有害物质，绿色环保；3）制备的石墨烯纳米带层数可控，可采用不同层数的碳纳米管制备相应层数的石墨烯带。
附图说明
图1a是实施例1的石墨烯纳米带的扫描电镜图；图1b是实施例1的石墨烯纳米带的透射电镜图。
图2a是实施例2的石墨烯纳米带的扫描电镜图；图2b是实施例2的石墨烯纳米带的透射电镜图。
图3a是实施例3的石墨烯纳米带的扫描电镜图；图3b是实施例3的石墨烯纳米带的透射电镜图。
图4a是实施例4的石墨烯纳米带的扫描电镜图；图4b是实施例4的石墨烯纳米带的透射电镜图；图5和图6是实施例4的石墨烯纳米带的原子力显微镜图。
图7a是实施例5的石墨烯纳米带的扫描电镜图；图7b是实施例5的石墨烯纳米带的透射电镜图；图8和9是实施例5的石墨烯纳米带的原子力显微镜图。
图10a是实施例6的石墨烯纳米带的扫描电镜图；图10b是实施例6的石墨烯纳米带的透射电镜图；图11和图12是实施例6的石墨烯纳米带的原子力显微镜图。
具体实施方式
本发明可以具体实施如下：
将多壁碳纳米管和适量蒸馏水加入到聚四氟乙烯内衬中，放入反应釜中，将反应釜置于150～225℃下恒温加热5~20小时。
所述的多壁碳纳米管原料为单质C，原料多壁碳纳米管的质量分数大于95%。所加入的原料碳纳米管的质量与聚四氟乙烯内衬的体积比m纳米管/V衬为0.025g-0.10g/100mL，所加入蒸馏水的体积与聚四氟乙烯内衬的体积比V水/V衬为0.5%-2%。
需要指出的是，在用水蒸气刻蚀碳纳米管时，不仅可以刻蚀多壁碳纳米管，也可以根据要求选择一定层数的碳纳米管进行刻蚀而得到相应层数的石墨烯纳米带。因此，通过本发明方法不仅可以制备多层的石墨烯纳米带，还可以制备单层、双层、三层等的石墨烯纳米带，以便扩大实际的应用范围。
为了更详细的说明本发明，下面列举了不同碳纳米管的量、加入蒸馏水的量、加热温度以及刻蚀时间等反应条件下制备石墨烯的具体实施例子。
实施例1
将0.01g的直径为8-15nm的多壁碳纳米管放入容积为20mL的聚四氟乙烯内衬底部，向里面加入100μL的蒸馏水，振荡使纳米管铺匀，然后将内衬封闭装入不锈钢反应釜中。将反应釜放入鼓风干燥箱中，将温度设置为200℃，恒温反应5h。反应完后将样品取出，置于红外灯下烘干，待水分蒸发完全后即可得到石墨烯纳米带。
采用扫描电镜对样品进行分析，结果如图1a所示。从图1a可以看到多壁碳纳米管有小部分裂解形成石墨烯纳米带，其中暗色的部分为碳纳米管被水蒸气刻蚀开而形成的石墨烯纳米带，亮色的部分为原始碳纳米管。采用透射电镜观察，结果如图1b所示。从图1b可以观察到石墨烯纳米带边缘平滑，测量得到其宽度在10nm左右。
实施例2
将0.02g的直径为8-15nm的多壁碳纳米管放入容积为20mL的聚四氟乙烯内衬底部，向里面加入200μL的蒸馏水，振荡使纳米管铺匀，然后将内衬封闭装入不锈钢反应釜中。将反应釜放入鼓风干燥箱中，将温度设置为225℃，恒温反应10h。反应完后将样品取出，置于红外灯下烘干，待水分蒸发完全后即可得到石墨烯纳米带。
采用扫描电镜对样品进行分析，结果如图2a所示。从图2a可以看到多壁碳纳米管有部分裂解形成石墨烯纳米带，其中暗色的部分为碳纳米管被水蒸气刻蚀开而形成的石墨烯纳米带，亮色的部分为原始碳纳米管。采用透射电镜观察，结果如图2b所示。从图2b可以观察到石墨烯纳米带边缘平滑，测量得到其宽度在9-15nm之间。
实施例3
将0.005g的直径为8-15nm的多壁碳纳米管放入容积为20mL的聚四氟乙烯内衬底部，向里面加入200μL的蒸馏水，振荡使纳米管铺匀，然后将内衬封闭装入不锈钢反应釜中。将反应釜放入鼓风干燥箱中，将温度设置为150℃，恒温反应10h。反应完后将样品取出，置于红外灯下烘干，待水分蒸发完全后即可得到石墨烯纳米带。
采用扫描电镜对样品进行分析，结果如图3a所示。从图3a可以看到多壁碳纳米管有部分裂解形成石墨烯纳米带，其中暗色的部分为碳纳米管被水蒸气刻蚀开而形成的石墨烯纳米带，亮色的部分为原始碳纳米管。采用透射电镜观察，结果如图3b所示。从图3b可以观察到石墨烯纳米带边缘平滑，测量得到其宽度在9-14nm之间。
实施例4
将0.005g的直径为8-15nm的多壁碳纳米管放入容积为20mL的聚四氟乙烯内衬底部，向里面加入200μL的蒸馏水，振荡使纳米管铺匀，然后将内衬封闭装入不锈钢反应釜中。将反应釜放入鼓风干燥箱中，将温度设置为200℃，恒温反应15h。反应完后将样品取出，置于红外灯下烘干，待水分蒸发完全后即可得到石墨烯纳米带。
采用扫描电镜对样品进行分析，结果如图4a所示。从图4a可以看到多壁碳纳米管基本全部裂解形成石墨烯纳米带。采用透射电镜观察，结果如图4b所示。从图4b可以石墨烯纳米带边缘平滑，测量得到其宽度在9-13nm之间。采用原子力显微镜观察，结果如图5和图6所示。从图5可以测量得到石墨烯纳米带厚度分别为1.861nm和1.866nm。图6是对石墨烯纳米带进行纵向线扫结果，可得到石墨烯纳米带高度差仅为0.143nm，说明碳纳米管完全裂解成了石墨烯纳米带。
实施例5
将0.005g的直径为8-15nm的多壁碳纳米管放入容积为20mL的聚四氟乙烯内衬底部，向里面加入200μL的蒸馏水，振荡使纳米管铺匀，然后将内衬封闭装入不锈钢反应釜中。将反应釜放入鼓风干燥箱中，将温度设置为200℃，恒温反应20h。反应完后将样品取出，置于红外灯下烘干，待水分蒸发完全后即可得到石墨烯纳米带。
采用扫描电镜对样品进行分析，结果如图7a所示。从图7a可以看到多壁碳纳米管基本完全裂解形成石墨烯纳米带。采用透射电镜观察，结果如图7b所示。从图7b可以石墨烯纳米带边缘平滑，测量得到其宽度在8-20nm之间。采用原子力显微镜对样品进行观察，结果如图8和图9所示。从图8可测量得到石墨烯纳米带厚度为1.802nm，从图9的纵向线扫结果可得到石墨烯纳米带高度差仅为0.111nm，说明碳纳米管完全裂解成了石墨烯纳米带。
实施例6
将0.01g的直径为8-15nm的多壁碳纳米管放入容积为20mL的聚四氟乙烯内衬底部，向里面加入400μL的蒸馏水，振荡使纳米管铺匀，然后将内衬封闭装入不锈钢反应釜中。将反应釜放入鼓风干燥箱中，将温度设置为200℃，恒温反应10h。反应完后将样品取出，置于红外灯下烘干，待水分蒸发完全后即可得到石墨烯纳米带。
采用扫描电镜对样品进行分析，结果如图10a所示。从图10a可以看到多壁碳纳米管基本完全裂解形成石墨烯纳米带。采用透射电镜观察，结果如图10b所示。从图10b可以石墨烯纳米带边缘平滑，测量得到其宽度在9-16nm之间。采用原子力显微镜对样品进行观察，结果如图11和图12所示。图11表明石墨烯纳米带厚度为2.214nm。从图12的纵向线扫结果可得到石墨烯纳米带高度差仅为0.097nm，说明碳纳米管完全裂解成了石墨烯纳米带。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (1)
1.一种水蒸气刻蚀碳纳米管制备石墨烯纳米带的方法，其特征在于：将多壁碳纳米管放入聚四氟乙烯内衬中，并加入蒸馏水，振荡使碳纳米管分散均匀，然后将聚四氟乙烯内衬放入反应釜中，加热到150-225℃，恒温5h-20h，使多壁碳纳米管从纵向裂解开，形成高质量的石墨烯纳米带；
所述的多壁碳纳米管原料为单质C，原料多壁碳纳米管的质量分数大于95%；
所加入的碳纳米管的质量与聚四氟乙烯内衬的体积比m纳米管/V衬为0.025g-0.10g/100mL；
所加入蒸馏水的体积与聚四氟乙烯内衬的体积比V水/V衬为0.5-2:100。
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