CN103449412A - 一种石墨烯纳米带的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：取碳纳米管，按与碳纳米管的质量为0.01～0.05L/g的比例加入强酸混合液，在120～140℃中回流4～8小时，取出碳纳米管，去离子水清洗过滤3~5次；将碳纳米管置于容器中，加入浓度为0.5~5mol/L碱溶液，使碳纳米管完全浸泡于碱溶液中，置于80～100℃的水浴箱中搅拌10~30分钟，取出碳纳米管，去离子水清洗过滤至中性；对碳纳米管重复步骤（1）和步骤（2），重复次数为1~8次，得到石墨烯纳米带。本发明提供的石墨烯纳米带的制备方法，以碳纳米管为原料，制备工艺简单，成本低，易于实现规模化工业生产，所制得的石墨烯纳米带结构完整、性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及新材料合成领域，特别是涉及一种石墨烯纳米带的制备方法。
背景技术
石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体。由于其独特的结构和光电性质使其成为碳材料、纳米技术、凝聚态物理和功能材料等领域的研究热点，吸引了诸多科技工作者。单层石墨烯拥有优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，并且其理论比表面积高达2630m2/g（A Peigney,Ch Laurent,et al.Carbon,2001,39,507），可用于效应晶体管、电极材料、复合材料、液晶显示材料、传感器等。而石墨烯纳米带不仅拥有石墨烯的性能，还具备一些特殊的性能，例如其长径比比较大，可高达上千倍，在集成电路方面可代替铜导线，进一步提高集成度，亦可对其结构进行改性制备成开关器件。但目前由于石墨烯纳米带制备过程中尺寸控制困难，产量低，从而限制了其应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提供一种石墨烯纳米带的制备方法，该方法能够以碳纳米管为原料，通过酸腐蚀与碱腐蚀相结合的方法制得结构完整、性能良好的石墨烯纳米带。
本发明提供的石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：
（1）取碳纳米管，按与所述碳纳米管的质量为0.01～0.05L/g的比例加入强酸混合液，在120～140℃中回流4～8小时，取出所述碳纳米管，去离子水清洗过滤3~5次；
（2）将所述碳纳米管置于容器中，加入浓度为0.5~5mol/L碱溶液，使所述碳纳米管完全浸泡于所述碱溶液中，置于80～100℃的水浴箱中搅拌10~30分钟，取出所述碳纳米管，去离子水清洗过滤至中性；
（3）对所述碳纳米管，依次重复步骤（1）和步骤（2），重复次数为1~8次，得到石墨烯纳米带。
步骤（1）的目的在对碳纳米管进行酸腐蚀，腐蚀过程中，碳纳米管表面的缺陷部位得到优先腐蚀，因而使得缺陷部位出现宏观缺口，以利于后续的进一步腐蚀的进行。
优选地，步骤（1）中碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
优选地，步骤（1）中强酸混合液由硝酸、硫酸和盐酸中的两种或两种以上混合制备得到。
更优选地，步骤（1）中强酸混合液由硝酸和硫酸按体积比为1∶0.5～5混合制备得到。
优选地，步骤（1）中硝酸的质量浓度为65%~68%，硫酸的质量浓度为98%。
优选地，步骤（1）中对首次过滤的滤液进行回收。
回收的滤液可供再次使用，可减少对环境造成的污染，同时降低生产成本。
步骤（2）为将经步骤（1）酸腐蚀过的碳纳米管置于碱溶液中进行碱腐蚀。由于碳纳米管表面被酸腐蚀，表面已经出现很多宏观缺口，在碱液中，可被碱液继续进一步腐蚀，使缺口加深，同时，碱溶液可将酸腐蚀后的官能团去除，加深腐蚀程度，有利于下次酸腐蚀的进行。
步骤（2）中容器为烧杯。
优选地，步骤（2）中碱溶液为氢氧化钠或氢氧化钾。
优选地，步骤（2）中对首次过滤的滤液进行回收。
回收的滤液可供再次使用，可减少对环境造成的污染，同时降低生产成本。
步骤（3）的目的在于采用多次交替的酸腐蚀和碱腐蚀操作，使得碳纳米管从缺口处打开，从而得到石墨烯纳米带。
优选地，当碳纳米管为单壁碳纳米管时，步骤（1）和步骤（2）的重复次数为1次。
优选地，当碳纳米管为多壁碳纳米管时，步骤（1）和步骤（2）的重复次数为5~8次。
优选地，重复步骤中使用的强酸混合液溶液和碱溶液为前述步骤中的回收所得。
多次地酸碱交替腐蚀有利于腐蚀程度的不断加深，酸腐蚀完毕后，再进行碱腐蚀，通过碱腐蚀可以把酸腐蚀后的官能团去除，加深腐蚀程度，有利于下次酸腐蚀的进行，这种酸碱交替腐蚀切割碳纳米管，制得石墨烯纳米带的方式为化学切割方法。由于酸碱交替腐蚀只对碳纳米管局部造成缺口，只对其边缘的结构造成破坏，而其它部位仍保持碳纳米管的良好结构，因此所得石墨烯纳米带结构完整，性能良好，本发明方法得到的石墨烯纳米带宽度为10～20nm，长径比为20~50。
本发明提供的石墨烯纳米带的制备方法，以碳纳米管为原料，通过酸腐蚀与碱腐蚀相结合的方法，快速制得石墨烯纳米带，其制备工艺简单，成本低，易于实现规模化工业生产。通过本发明制备方法制得的石墨烯纳米带结构完整、性能良好、长径比较大。
附图说明
图1为本发明实施例一所制得的石墨烯纳米带SEM图。
具体实施方式
以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
实施例一
一种石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：
（1）取10g多壁碳纳米管，按与多壁碳纳米管的质量为0.01L/g的比例加入0.1L强酸混合液，强酸混合液中质量浓度为68%的硝酸与质量浓度为98%的硫酸的体积比为1∶0.5，在120℃中回流8小时，取出多壁碳纳米管，去离子水清洗过滤5次，回收首次过滤滤液；
（2）将多壁碳纳米管置于烧杯中，加入浓度为0.5mol/L氢氧化钾溶液，使多壁碳纳米管完全浸泡于氢氧化钾溶液中，置于80℃的水浴箱中搅拌30分钟，取出多壁碳纳米管，去离子水清洗过滤至中性，回收首次过滤滤液；
（3）对多壁碳纳米管，依次重复步骤（1）和步骤（2），重复次数为8次，得到石墨烯纳米带。
具体地，取多壁碳纳米管加入到回收的强酸混合液中，重复步骤（1），再将二次回流的多壁碳纳米管加入到回收的氢氧化钾溶液中，重复步骤（2），依此重复8次，得到石墨烯纳米带。
图1为本发明实施例一所制得的石墨烯纳米带SEM图。从图1中可以看出，石墨烯纳米带已经成功制备，所制得的石墨烯纳米带宽度均匀。本实施例所制得的石墨烯纳米带宽度为10～20nm，长径比为20~50。
实施例二
一种石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：
（1）取10g单壁碳纳米管，按与单壁碳纳米管的质量为0.05L/g的比例加入0.5L强酸混合液，强酸混合液中质量浓度为68%的硝酸与质量浓度为98%的硫酸的体积比为1∶5，在130℃中回流6小时，取出单壁碳纳米管，去离子水清洗过滤4次，回收首次过滤滤液；
（2）将单壁碳纳米管置于烧杯中，加入浓度为5mol/L氢氧化钾溶液，使单壁碳纳米管完全浸泡于氢氧化钾溶液中，置于100℃的水浴箱中搅拌10分钟，取出单壁碳纳米管，去离子水清洗过滤至中性，回收首次过滤滤液；
（3）对单壁碳纳米管，依次重复步骤（1）和步骤（2），重复次数为1次，得到石墨烯纳米带。
具体地，取单壁碳纳米管加入到回收的强酸混合液中，重复步骤（1），再将二次回流的单壁碳纳米管加入到回收的氢氧化钾溶液中，重复步骤（2），得到石墨烯纳米带。
本实施例所制得的石墨烯纳米带宽度为10～20nm，长径比为20~50。
实施例三
一种石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：
（1）取10g双壁碳纳米管，按与双壁碳纳米管的质量为0.03L/g的比例加入0.3L强酸混合液，强酸混合液中质量浓度为68%的硝酸与质量浓度为98%的硫酸的体积比为1∶2，在140℃中回流4小时，取出双壁碳纳米管，去离子水清洗过滤3次，回收首次过滤滤液；
（2）将双壁碳纳米管置于烧杯中，加入浓度为1mol/L氢氧化钠溶液，使双壁碳纳米管完全浸泡于氢氧化钠溶液中，置于90℃的水浴箱中搅拌20分钟，取出双壁碳纳米管，去离子水清洗过滤至中性，回收首次过滤滤液；
（3）对双壁碳纳米管，依次重复步骤（1）和步骤（2），重复次数为5次，得到石墨烯纳米带。
具体地，取双壁碳纳米管加入到回收的强酸混合液中，重复步骤（1），再将二次回流的双壁碳纳米管加入到回收的氢氧化钠溶液中，重复步骤（2），依此重复5次，得到石墨烯纳米带。
本实施例所制得的石墨烯纳米带宽度为10～20nm，长径比为20~50。
实施例四
一种石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：
（1）取10g多壁碳纳米管，按与多壁碳纳米管的质量为0.04L/g的比例加入0.4L强酸混合液，强酸混合液中质量浓度为68%的硝酸与质量浓度为98%的硫酸的体积比为1∶1，在125℃中回流8小时，取出多壁碳纳米管，去离子水清洗过滤4次，回收首次过滤滤液；
（2）将多壁碳纳米管置于烧杯中，加入浓度为2mol/L氢氧化钾溶液，使多壁碳纳米管完全浸泡于氢氧化钾溶液中，置于80℃的水浴箱中搅拌25分钟，取出多壁碳纳米管，去离子水清洗过滤至中性，回收首次过滤滤液；
（3）对多壁碳纳米管，依次重复步骤（1）和步骤（2），重复次数为7次，得到石墨烯纳米带。
具体地，取多壁碳纳米管加入到回收的强酸混合液中，重复步骤（1），再将二次回流的多壁碳纳米管加入到回收的氢氧化钾溶液中，重复步骤（2），依此重复7次，得到石墨烯纳米带。
本实施例所制得的石墨烯纳米带宽度为10～20nm，长径比为20~50。
通过本发明制备方法制得的石墨烯纳米带结构完整、性能良好、长径比较大。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）取碳纳米管，按与所述碳纳米管的质量为0.01～0.05L/g的比例加入强酸混合液，在120～140℃中回流4～8小时，取出所述碳纳米管，去离子水清洗过滤3~5次；
（2）将所述碳纳米管置于容器中，加入浓度为0.5~5mol/L碱溶液，使所述碳纳米管完全浸泡于所述碱溶液中，置于80～100℃的水浴箱中搅拌10~30分钟，取出所述碳纳米管，去离子水清洗过滤至中性；
（3）对所述碳纳米管，依次重复步骤（1）和步骤（2），重复次数为1~8次，得到石墨烯纳米带。
2.如权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
3.如权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述强酸混合液由硝酸、硫酸和盐酸中的两种或两种以上混合制备得到。
4.如权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述强酸混合液由硝酸和硫酸按体积比为1∶0.5～5混合制备得到。
5.如权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述硝酸的质量浓度为65%~68％，所述硫酸的质量浓度为98%。
6.如权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述碱溶液为氢氧化钠或氢氧化钾。
7.如权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述容器为烧杯。
8.如权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，当所述碳纳米管为单壁碳纳米管时，所述步骤（1）和步骤（2）的重复次数为1次。
9.如权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，当所述碳纳米管为多壁碳纳米管时，所述步骤（1）和步骤（2）的重复次数为5~8次。
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| CN109019568A (zh) * | 2018-10-10 | 2018-12-18 | 深圳大学 | 一种石墨烯纳米带的制备方法 |
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