CN103626157B - 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生产方法，包括以下步骤：将碳纳米管依次加入酸溶液和碱溶液中并搅拌，过滤后清洗，用有机溶剂进行浸泡及超声处理，过滤后干燥，得到预处理后的碳纳米管；在惰性气体保护下，将预处理后的碳纳米管加热至1000～1200℃后保温3～5分钟，然后迅速转移至‑70～‑200℃的低温环境中放置5～30min，再在惰性气氛中快速放入温度为1000～1200℃的马弗炉中保温0.5～30min，接着在惰性气体保护下冷却到室温，得到石墨烯纳米带。本发明中石墨烯纳米带的长径比可以通过碳纳米管的直径及长度的调整来控制，制备过程时间短，生产效率高，成本低；石墨烯纳米带保持了碳纳米管原有的优良性能。
Description
技术领域
本发明涉及新型碳材料的合成领域，特别是涉及一种石墨烯纳米带的制备方法。
背景技术
石墨烯纳米带不仅具有石墨烯的优良导电、导热性能及热膨胀系数低，还具备一些特殊的性能，例如其长宽比比较大，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。目前由于石墨烯纳米带的尺寸控制困难，产量低等原因，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，该制备方法中石墨烯纳米带的长径比可以通过碳纳米管的直径及长度的调整来控制，制备过程时间短，生产效率高，成本低，同时石墨烯纳米带保持了碳纳米管原有的优良性能，以及化学试剂可重复使用，实现了绿色无污染制备。
本发明提供的一种石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：
(1)将碳纳米管依次加入浓度为0.5～1mol/L酸溶液和浓度为0.1～0.5mol/L碱溶液中，同时搅拌，过滤后清洗，再用有机溶剂进行浸泡及超声处理，过滤后干燥，得到预处理后的碳纳米管；
(2)在惰性气体保护下，将步骤(1)得到的预处理后的碳纳米管以50～100℃/min的速率加热至1000～1200℃后保温3～5分钟，然后迅速转移至-70～-200℃的低温环境中放置5～30min，随后取出，再在惰性气氛中快速放入温度为1000～1200℃的马弗炉中保温0.5～30min，接着在惰性气体保护下冷却到室温，得到石墨烯纳米带。
优选地，步骤(1)中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的至少一种。
优选地，步骤(1)中，所述酸溶液具体为盐酸、硝酸或硫酸。所述碱溶液具体为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
优选地，步骤(1)中，所述碳纳米管与酸溶液或碱溶液的质量体积比为1g∶20～200ml。
加入酸溶液和碱溶液并搅拌后过滤的滤液可以重复使用。
优选地，步骤(1)中，所述搅拌的时间是10～30min。
在于去除碳纳米管的杂质与油污，同时对碳纳米管进行轻度腐蚀。所述清洗是用去离子水清洗至滤液呈中性。
优选地，步骤(1)中，所述有机溶剂为乙醇、丙酮或甲醇中的一种或多种。
更优选地，步骤(1)中，所述有机溶剂为乙醇、丙酮或甲醇中的两种，即先用一种有机溶剂进行浸泡并超声处理，过滤后加入另一种有机溶剂进行浸泡并超声处理。
优选地，步骤(1)中，所述超声处理的功率为200～400w，时间为10～30min。
优选地，步骤(1)中，所述干燥是于80～100℃干燥4～6小时。
优选地，步骤(1)中，所述预处理后的碳纳米管的堆密度为：0.03～0.05g/cm3。
优选地，步骤(2)中，所述-70～-200℃的低温环境为液氮、液氩或干冰，是易获得的低温物质。将预处理后的碳纳米管放入液氮、液氩或干冰中进行冷处理。
优选地，步骤(2)中，所述惰性气体为氮气或氩气。
本发明提供的石墨烯纳米带的制备方法首先利用酸溶液和碱溶液将碳纳米管进行清洗，同时对碳纳米管进行轻度腐蚀，在酸的作用下碳纳米管被腐蚀，在表面产生缺陷，经过碱浸泡腐蚀后进一步变大与加深，为后一步剥离提供更有利的条件，而为了保持石墨烯纳米带结构的完整性，只进行轻度腐蚀。然后采用先高温后低温再高温的冷热交替处理方式剥开碳纳米管，得到石墨烯纳米带。其中，处预理后的碳纳米管由于表面被腐蚀，加热过程中体积会膨胀而产生更大的裂纹(或称缺陷)，其结构在急冷过程和急热的过程会发生进一步破坏，导致最后裂开成为石墨烯纳米带，使得到的石墨烯纳米带保持了碳纳米管原有的优良性能，且石墨烯纳米带的长径比可以通过碳纳米管的直径及长度的调整来控制，整个制备过程时间短，生产效率高。
本发明提供了一种石墨烯纳米带的制备方法，具有以下优异效果：
(1)本发明制备方法中石墨烯纳米带的长径比可以通过碳纳米管的直径及长度的调整来控制，制备过程时间短，生产效率高，成本低；
(2)通过冷热交替的方法剥开碳纳米管而得到石墨烯纳米带，保持了碳纳米管原有的优良性能；
(3)整个制备过程中所使用的化学试剂即酸溶液、碱溶液以及有机溶剂均不参与反应、可重复使用，实现了绿色无污染制备。
附图说明
图1为本发明实施例一制备的石墨烯纳米管的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
本发明提供的一种石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1g多壁碳纳米管(以下简称碳纳米管)依次加入20ml 0.5mol/L的盐酸中搅拌30min，过滤后加入200ml 0.1mol/L的氢氧化钠溶液中搅拌30min，过滤的滤液可以重复使用，以去除杂质与油污，同时对碳纳米管进行轻度腐蚀，然后过滤并用去离子水清洗至滤液呈中性；再依次用乙醇和丙酮浸泡并用200w超声波超声处理30min，即用乙醇浸泡并用200w超声波超声处理30min，过滤后用丙酮浸泡并用200w超声波超声处理30min，再过滤后在真空干燥箱中于80℃干燥6小时，得到预处理后的碳纳米管；
(2)在氮气保护下，将步骤(1)得到的预处理后的碳纳米管(堆密度为0.05g/cm3)置于马弗炉中，以50℃/min的速率加热至1000℃后保温3分钟，使碳纳米管均匀受热，然后迅速转移到-200℃的液氮中放置5min，对预处理后的碳纳米管进行冷处理，再快速放入有氮气保护且温度为1200℃的马弗炉中保温20min，使碳纳米管瞬间受热而剥离，在氮气保护下冷却到室温，得到石墨烯纳米带。
图1为实施例一所制备的石墨烯纳米带的SEM图，从图1可以看出，石墨烯纳米带已经成功制备，石墨烯纳米带的宽度为5～20nm，长度为2～5μm，长径比为102～103，并保持了碳纳米管的原有结构。
实施例二
一种石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1g单壁碳纳米管(以下简称碳纳米管)依次加入50ml 1mol/L的硝酸中搅拌10min，过滤后加入100ml 0.5mol/L的氢氧化钾溶液中搅拌15min，过滤的滤液可以重复使用，以去除杂质与油污，同时对碳纳米管进行轻度腐蚀，然后过滤并用去离子水清洗至滤液呈中性；再依次用甲醇和丙酮分别浸泡并用400w超声波超声处理10min，过滤后在真空干燥箱中于90℃干燥5小时，得到预处理后的碳纳米管；
(2)在氩气保护下，将步骤(1)得到的预处理后的碳纳米管(堆密度为0.03g/cm3)置于马弗炉中，以100℃/min的速率加热至1100℃后保温5分钟，使碳纳米管均匀受热，然后迅速转移到-189℃的液氩中放置15min，对预处理后的碳纳米管进行冷处理，再快速放入有氩气保护且温度为1000℃的马弗炉中保温30s，使碳纳米管瞬间受热而剥离，在氩气保护下冷却到室温，得到石墨烯纳米带。
本实施例制得的石墨烯纳米带的宽度为5～20nm，长度为2～5μm，长径比为102～103。
实施例三
一种石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1g双壁碳纳米管(以下简称碳纳米管)依次加入100ml 0.8mol/L的硫酸中搅拌20min，过滤后加入20ml 0.5mol/L的氢氧化钠溶液中搅拌25min，过滤的滤液可以重复使用，以去除杂质与油污，同时对碳纳米管进行轻度腐蚀，然后过滤并用去离子水清洗至滤液呈中性；再依次用乙醇和丙酮分别浸泡并用300w超声波超声处理20min，过滤后在真空干燥箱中于100℃干燥4小时，得到预处理后的碳纳米管；
(2)在氮气保护下，将步骤(1)得到的预处理后的碳纳米管(堆密度为0.04g/cm3)置于马弗炉中，以80℃/min的速率加热至1200℃后保温5分钟，使碳纳米管均匀受热，然后迅速转移到-78℃的干冰中放置30min，对预处理后的碳纳米管进行冷处理，再快速放入有氮气保护且温度为1100℃的马弗炉中保温25min，使碳纳米管瞬间受热而剥离，在氮气保护下冷却到室温，得到石墨烯纳米带。
本实施例制得的石墨烯纳米带的宽度为5～20nm，长度为2～5μm，长径比为102～103。
实施例四
一种石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1g单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管的混合碳纳米管(以下简称混合碳纳米管)依次加入200ml 1mol/L的盐酸中搅拌15min，过滤后加入120ml 0.3mol/L的氢氧化钾溶液中搅拌10min，过滤的滤液可以重复使用，以去除杂质与油污，同时对混合碳纳米管进行轻度腐蚀，然后过滤并用去离子水清洗至滤液呈中性；再用乙醇和丙酮分别浸泡并用250w超声波超声处理20min，过滤后在真空干燥箱中于100℃干燥6小时，得到预处理后的混合碳纳米管；
(2)在氮气保护下，将步骤(1)得到的预处理后的混合碳纳米管(堆密度为0.037g/cm3)置于马弗炉中，以50℃/min的速率加热至1000℃后保温4分钟，使混合碳纳米管均匀受热，然后迅速转移到-200℃的液氮中放置10min，对预处理后的混合碳纳米管进行冷处理，再快速放入有氮气保护且温度为1200℃的马弗炉中保温30min，使混合碳纳米管瞬间受热而剥离，在氮气保护下冷却到室温，得到石墨烯纳米带。
本实施例制得的石墨烯纳米带的宽度为5～20nm，长度为2～5μm，长径比为102～103。
由四探针电阻测试仪测试实施例一～四制备的石墨烯纳米带的电导率，数据见表1。
表1 实施例一～四制备的石墨烯纳米带的电导率测试数据
可见，本发明的制备方法制备得到的石墨烯纳米带电导率为1.7～4.4×104s/m，而碳纳米管的电导率一般为103～104s/m。
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 (10)
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)将碳纳米管依次加入浓度为0.5～1mol/L的酸溶液和浓度为0.1～0.5mol/L的碱溶液中并搅拌，过滤后清洗，再用有机溶剂进行浸泡及超声处理，过滤后干燥，得到预处理后的碳纳米管；
(2)在惰性气体保护下，将步骤(1)得到的预处理后的碳纳米管以50～100℃/min的速率加热至1000～1200℃后保温3～5分钟，然后迅速转移至-70～-200℃的低温环境中放置5～30min，随后取出，再在惰性气氛中快速放入温度为1000～1200℃的马弗炉中保温0.5～30min，接着在惰性气体保护下冷却到室温，得到石墨烯纳米带。
2.如权利要求1所述的一种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、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的至少一种。
3.如权利要求1所述的一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述酸溶液为盐酸、硝酸或硫酸，所述碱溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
4.如权利要求1所述的一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述碳纳米管与酸溶液或碱溶液的质量体积比为1g∶20～200mL。
5.如权利要求1所述的一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的有机溶剂为乙醇、丙酮或甲醇中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤 (1)中，所述超声处理的功率为200～400W，时间为10～30min。
7.如权利要求1所述的一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述干燥是于80～100℃干燥4～6小时。
8.如权利要求1所述的一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述预处理后的碳纳米管的堆密度为0.03～0.05g/cm3。
9.如权利要求1所述的一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述-70～-200℃的低温环境为液氮、液氩或干冰。
10.如权利要求1所述的一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述惰性气体为氮气或氩气。
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