CN103879991B - 石墨烯纳米带的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石墨烯纳米带的制备方法，该方法利用光催化化学气相沉积制备结构完整、尺寸均一性较好的碳纳米壁粉末，将碳纳米壁粉末放置于集流体上并压制成碳纳米壁片层得到工作电极，采用电化学剥离得到尺寸均一性较好石墨烯纳米带。在正向电压的作用下，离子液体电解液插入碳纳米壁层间，然后施加反向电压，实现离子液体电解液从碳纳米壁上脱落而使碳纳米壁剥离得到石墨烯纳米带。这种制备方法不会在最终得到的石墨烯纳米带中引入含氧基团，制备得到质量较好的石墨烯纳米带。
Description
技术领域
本发明涉及纳米碳材料的合成领域，特别是涉及一种石墨烯纳米带的制备方法。
背景技术
石墨烯纳米带是在二维石墨烯平面的基础上，经过一定的剪切而形成的带状结构。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，如进行硼掺杂制备石墨烯纳米带等。
目前，制备石墨烯纳米带的方法通常采用强氧化剂切割碳纳米管制备石墨烯纳米带。由于碳纳米管的性质较为稳定，在切割碳纳米管时，通常需要将碳纳米管在强酸中浸泡较长时间后，再加入强氧化剂在高温下进行长时间的开环反应得到石墨烯纳米带。碳纳米管较为稳定的性质使得其氧化开环的条件较为苛刻，并且氧化过程通常会引入含氧官能团而对石墨烯纳米带的导电性能产生不良影响，并且尺寸的均一性难以控制，使得最终得到的石墨烯纳米带质量的较差，难以满足实际需求。
发明内容
基于此，有必要提供一种石墨烯纳米带的制备方法，以制备质量较好的石墨烯纳米带。
一种石墨烯纳米带的制备方法，包括如下步骤：
使用稀酸溶液对金属衬底进行刻蚀；
在无氧和保护气体的氛围下，将所述金属衬底加热至600℃~900℃；
在紫外光的照射下，向所述金属衬底表面通入甲烷、乙烷、丙烷、乙炔及乙醇中的一种，经过光催化化学气相沉积反应30分钟~300分钟，在所述金属衬底表面生成碳纳米壁；
反应完成后，在所述保护气体的氛围下将附有碳纳米壁的金属衬底冷却至室温，然后将所述碳纳米壁从所述金属衬底的表面刮下，得到碳纳米壁粉末；
将所述碳纳米壁粉末放置于集流体上并压制成碳纳米壁片层得到工作电极；
将对电极、参比电极及所述工作电极共同浸泡于离子液体电解液中，对所述工作电极施加0.1V~20V的正向电压，保持0.1小时~10小时，然后再向所述工作电极施加-20V~-0.1V的反向电压，保持0.1小时~10小时，得到石墨烯纳米带与离子液体电解液的混合物，将所述混合物进行过滤，洗涤滤渣并干燥得到石墨烯纳米带。
在其中一个实施例中，所述使用稀酸溶液对金属衬底进行刻蚀的步骤具体为：将所述金属衬底放入浓度为0.01mol/L~1mol/L的稀酸溶液中刻蚀0.5分钟~10分钟。
在其中一个实施例中，所述使用稀酸溶液对金属衬底进行刻蚀步骤具体为：将所述金属衬底放入浓度为0.1mol/L~0.5mol/L的稀酸溶液中刻蚀1分钟~3分钟。
在其中一个实施例中，所述紫外光的波长为200~400nm。
在其中一个实施例中，所述甲烷、乙烷、丙烷、乙炔及乙醇中的一种的流量为10sccm~1000sccm。
在其中一个实施例中，所述甲烷、乙烷、丙烷、乙炔及乙醇中的一种与所述保护气体的体积比为2~10:1。
在其中一个实施例中，所述衬底为铁箔、镍箔及钴箔中的一种。
在其中一个实施例中，所述离子液体电解液选自1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酰亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸、1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酰碳、1-乙基-3-甲基咪唑五氟乙酰亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑二氰化氮、1-乙基-3,5-二甲基咪唑三氟甲磺酰亚胺、1,3-二乙基-4-甲基咪唑三氟甲磺酰亚胺及1,3-二乙基-5-甲基咪唑三氟甲磺酰亚胺中的一种。
在其中一个实施例中，所述洗涤滤渣并干燥得到石墨烯纳米带的步骤具体为：将所述滤渣用1-甲基-2-吡咯烷酮或N,N-二甲基甲酰胺洗涤3~6次，再依次用乙醇、丙酮及去离子水洗涤，然后将洗涤后的滤渣于60℃~100℃下真空干燥至恒重得到石墨烯纳米带。
在其中一个实施例中，所述保护气体选自氦气、氮气及氩气中的一种。
上述石墨烯纳米带的制备方法利用光催化化学气相沉积制备结构完整、尺寸均一性较好的碳纳米壁粉末，将碳纳米壁粉末放置于集流体上并压制成碳纳米壁片层得到工作电极，采用电化学剥离得到尺寸均一性较好石墨烯纳米带。在正向电压的作用下，离子液体电解液插入碳纳米壁层间，然后施加反向电压，实现离子液体电解液从碳纳米壁上脱落而使碳纳米壁剥离得到石墨烯纳米带。这种制备方法不会在最终得到的石墨烯纳米带中引入含氧基团，制备得到质量较好的石墨烯纳米带。
附图说明
图1为一实施方式的石墨烯纳米带的制备方法流程图；
图2为实施例1制备的碳纳米壁的SEM图；
图3为实施例1制备的石墨烯纳米带的SEM图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
请参阅图1，一实施方式的硼掺杂石墨烯纳米带的制备方法，包括如下步骤：
步骤S110：使用稀酸溶液对金属衬底进行刻蚀。
金属衬底优选为铁箔、镍箔及钴箔中的一种。
使用稀酸溶液对金属衬底进行刻蚀的步骤具体为：将金属衬底放入浓度为0.01mol/L~1mol/L的稀酸溶液中刻蚀0.5分钟~10分钟。
稀酸溶液为稀盐酸溶液、稀硫酸溶液或稀硝酸溶液。
优选地，稀酸溶液的浓度为0.1mol/L~0.5mol/L，刻蚀的时间为1分钟~3分钟。
对金属衬底进行刻蚀，使金属衬底表面产生缺陷，能够有效地改善金属衬底的表面结构，以为碳纳米壁提供一个有利的生长基底，使得碳纳米壁能够在金属衬底的表面生长。
将铁箔、镍箔及钴箔中的一种金属衬底放入浓度为0.1mol/L~0.5mol/L的稀酸溶液中刻蚀1分钟~3分钟，能够达到良好的刻蚀效果，有利于提高碳纳米壁的生长效率。
步骤S120：在无氧和保护气体的氛围下，将金属衬底加热至600℃~900℃。
首先将经过刻蚀的金属衬底依次用去离子水、乙醇和丙酮清洗干净并干燥，备用。
将清洗干燥后的经过刻蚀的金属衬底放入反应室中。排除反应室中的空气并通入保护气体，使反应室完全处于无氧状态，避免氧气的参与而影响碳纳米壁的生长，为碳纳米壁的生长提供一个稳定的环境。
将金属衬底加热至600℃~900℃，并保温至反应结束。
保护气体优选为氦气、氮气、氩气中的至少一种。
步骤S130：在紫外光的照射下，向金属衬底表面通入甲烷、乙烷、丙烷、乙炔及乙醇中的一种，经过光催化化学气相沉积反应30分钟~300分钟，在金属衬底表面生成碳纳米壁。
紫外光源设备与金属衬底正对。开启紫外光源设备，使紫外光照射在金属衬底的表面。
紫外光作为光催化剂。紫外光的波长优选为200~400nm。
在紫外光的照射下，向反应室中通入碳源，使金属衬底处于碳源的氛围中。碳源选自甲烷、乙烷、丙烷、乙炔及乙醇中的一种。
碳源的流量为10sccm~1000sccm。
优选地，碳源与保护气体的体积比为2~10:1。
在紫外光照射下及在保护气体氛围中，甲烷、乙烷、丙烷、乙炔及乙醇中的一种经过光催化化学气相沉积反应30分钟~300分钟，在金属衬底上生成碳纳米壁。
步骤S140：反应完成后，在保护气体的氛围下将附有碳纳米壁的金属衬底冷却至室温，然后将碳纳米壁从金属衬底的表面刮下，得到碳纳米壁粉末。
反应30分钟~300分钟后，停止通入碳源，关闭加热设备及关闭紫外光源设备，待反应室和附有碳纳米壁的金属衬底冷却至室温后停止通入保护气体，将金属衬底表面的碳纳米壁刮下，得到碳纳米壁粉末。
待反应室和附有碳纳米壁的金属衬底冷却至室温后再停止通入保护气体，防止生成的碳纳米壁在高温下氧化，进一步保证得到碳纳米壁粉末的质量。
步骤S150：将碳纳米壁粉末放置于集流体上并压制成碳纳米壁片层得到工作电极。
将碳纳米壁粉末和粘结剂放置于集流体上，然后用模具压制，使集流体上形成碳纳米壁片层，得到三电极体系的工作电极。集流体优选采用不锈钢集流体。
碳纳米壁片层的尺寸为75*40*7mm3。
步骤S160：将对电极、参比电极及工作电极共同浸泡于离子液体电解液中，对工作电极施加0.1V~20V的正向电压，保持0.1小时~10小时，然后再向工作电极施加-20V~-0.1V的反向电压，保持0.1小时~10小时，得到石墨烯纳米带与离子液体电解液的混合物，将混合物进行过滤，洗涤滤渣并干燥得到石墨烯纳米带。
离子液体电解液选自1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸(EtMeImBF4)、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酰亚胺(EtMeImN(CF3SO2)2)、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸(EtMeImCF3SO3)、1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸(EtMeImCF3CO2)、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酰碳(EtMeImC(CF3SO2)3)、1-乙基-3-甲基咪唑五氟乙酰亚胺(EtMeImN(C2F5SO2)2)、1-乙基-3-甲基咪唑二氰化氮(EtMeImN(CN)2)、1-乙基-3,5-二甲基咪唑三氟甲磺酰亚胺(1-Et-3,5-Me2ImN(CF3SO2)2)、1,3-二乙基-4-甲基咪唑三氟甲磺酰亚胺(1,3-Et2-4-MeImN(CF3SO2)2)及1,3-二乙基-5-甲基咪唑三氟甲磺酰亚胺(1,3-Et2-5-MeImN(CF3SO2)2)中的一种。
上述离子液体在常温下为液态，以便可以直接使用作为电解液，无需首先进行加热，使得制备过程能耗较低。
离子液体电解液同时也起到插层剂的作用，在电压作用下，离子液体电解液在工作电极表面形成电势差，在电势差的驱动下不断克服碳纳米壁层间的作用力，插到碳纳米壁层间；在反向电压的作用下，离子液体脱落而使碳纳米壁剥离得到石墨烯纳米带。
正向电压为0.1V~20V，以在工作电极表面形成的电势差足以驱动离子液体插入碳纳米壁层间；在0.1V~20V下保持0.1小时~10小时，以保证使工作电极上的碳纳米壁片层完全反应。
反向电压为-20V~-0.1V，以保证形成一定的驱动力而将碳纳米壁片层上的离子液体脱落而使碳纳米壁剥离得到石墨烯纳米带；在-20V~-0.1V保持0.1小时~10小时，以保证使插入了离子液体的碳纳米壁完全剥离，提高产率。
离子液体电解液的半径壁比一般电解液的半径要大，容易使碳纳米壁剥离，提高制备效率。
反应完成后，得到石墨烯纳米带与离子液体电解液的混合物。制备得到石墨烯纳米带分散于离子液体电解液中，能够有效防止石墨烯纳米带的团聚，提高制备效率。
将石墨烯纳米带与离子液体电解液的混合物进行过滤，将过滤得到的滤渣用将滤渣用1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)洗涤3~6次，以充分除去滤渣中的离子液体。然后，依次用乙醇、丙酮及去离子水进行洗涤，将洗涤后的滤渣于60℃~100℃下真空干燥至恒重得到石墨烯纳米带。
将滤渣用NMP或DMF洗涤，以除去滤渣中的离子液体电解液。NMP或DMF对离子液体的溶解性较好，能够有效地除去离子液体。
反应过程不会造成离子液体的污染，将石墨烯纳米带与离子液体电解液的混合物进行过滤得到的滤液，即离子液体，可以进行回收利用，有利于降低制备成本。
上述石墨烯纳米带的制备方法，首先利用紫外光作为光催化剂，碳源经过光催化化学气相沉积反应在经过刻蚀的金属衬底上生成碳纳米壁，将该碳纳米壁刮下得到结构完整、尺寸均一性较好碳纳米壁粉末。将碳纳米壁粉末放置于集流体上并压制成碳纳米壁片层得到工作电极，采用电化学剥离得到尺寸均一性较好石墨烯纳米带。这种制备方法不会在最终得到的石墨烯纳米带中引入含氧基团，制备得到质量较好的石墨烯纳米带。
利用紫外光作为光催化剂，碳源经过光催化化学气相沉积反应在经过刻蚀的金属衬底上生成碳纳米壁的方法避免了传统的在等离子体氛围中制备方法中等离子体对碳纳米壁的破坏，能够生成结构较为完整、尺寸均一性较好的碳纳米壁，有利于提高最终得到石墨烯纳米带的结构的完整性，并制备得到尺寸均一性较好的石墨烯纳米带。
该方法采用自行制备的碳纳米壁粉末作为原料制备的石墨烯纳米带，碳纳米壁粉末的制备以甲烷、乙烷、丙烷、乙炔及乙醇中一种作为碳源，这几种碳源较为廉价，相对于采用市售的碳纳米管作为石墨烯纳米带的原料，其成本相对较低，并且光催化能有效降低反应温度，减少能耗，降低了生产成本。
该石墨烯纳米带的制备方法所用的设备都是普通的化工设备，对设备的要求较低。利用离子液体作为电解液和插层剂，在反应过程中直接剥离得到石墨烯纳带，无需先制备插层碳纳米壁再采取其他剥离方法而增加一个剥离步骤进行剥离，工艺简单，条件易控，适合大规模生产。
以下为具体实施例。
实施例1
1.将镍箔放入浓度为1mol/L的稀盐酸溶液中刻蚀0.5分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗并干燥；
2.排除反应室中的空气并通入氮气，将清洗干燥后的镍箔放入通有氮气的反应室中，并将镍箔加热至900℃并保温，然后开启紫外光光源设备，令紫外光照射在镍箔表面，紫外光的波长为250nm，接着通入甲烷200sccm，甲烷与氮气的体积比为2:1，保持100分钟；
3.反应完成后，停止通入甲烷，停止对镍箔加热及关闭紫外光光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入氮气，镍箔表面生成碳纳米壁，将其从镍箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末；
4.采用不锈钢片作为集流体，将上述制备得到的碳纳米壁粉末放入集流体上，在集流体上压制成规格为75*40*7mm3（约2g）的碳纳米壁片层作为工作电极，以铅板作为对电极，Hg/Hg2SO4作为参比电极，EtMeImBF4作为电解液，将三电极放入电解池并完全浸泡在电解液中，对工作电极施加10V的电压，保持0.5小时，然后施加反向电压-10V，保持0.5小时，便得到石墨烯纳米带与EtMeImBF4离子液体电解液的混合物。将该混合进行过滤，将得到的滤渣用NMP过滤洗涤6次，再依次用乙醇、丙酮及去离子水洗涤，将洗涤后的滤渣在真空干燥箱里60℃下干燥至恒重可得到石墨烯纳米带。
图2和图3分别为实施例1的碳纳米壁和石墨烯纳米带的SEM图。
从图2和图3可以看出，碳纳米壁垂直于衬底密集生长，厚度均匀，约为30~60nm，由碳纳米壁为原料所制备的石墨烯纳米带宽度分布集中，约为20~40nm，长度约为2~20um，长径比约为50~1000。
该石墨烯纳米带的宽度分布较为均匀，且剥离过程中能够最大限度地保持石墨烯纳米带结构的完整性，制备得到的石墨烯纳米带的质量较好。
实施例2
1.采用铁箔作为衬底，将铁箔放入浓度为0.5mol/L的稀硫酸溶液中刻蚀4分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗并干燥；
2.排除反应室中的空气并通入氩气，将清洗干燥后的铁箔放入通有氩气的反应室中，并将铁箔加热至600℃并保温，然后开启紫外光光源设备，令紫外光照射在铁箔表面，紫外光的波长为200nm，接着通入乙烷100sccm，乙烷与氩气的体积比为5:1，保持200分钟；
3.反应完成后，停止通入乙烷，停止对铁箔加热及关闭紫外光光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入氩气，铁箔表面生成碳纳米壁，将其从铁箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末；
4.采用不锈钢片作为集流体，将上述制备得到的碳纳米壁粉末放入集流体上，在集流体上压制成规格为75*40*7mm3（约2g）的碳纳米壁片层作为工作电极，以铅板作为对电极，Hg/Hg2SO4作为参比电极，EtMeImN(CF3SO2)2作为电解液，将三电极放入电解池并完全浸泡在电解液中，对工作电极施加0.1V的电压，保持10小时，然后施加反向电压-20V，保持0.1小时，便得到石墨烯纳米带与EtMeImN(CF3SO2)2离子液体电解液的混合物。将该混合进行过滤，将得到的滤渣用DMF过滤洗涤3次，再依次用乙醇、丙酮及去离子水洗涤，将洗涤后的滤渣在真空干燥箱里80℃下干燥至恒重可得到石墨烯纳米带。
实施例3
1.采用钴箔作为衬底，将钴箔放入浓度为0.01mol/L的稀硝酸溶液中刻蚀10分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗并干燥；
2.排除反应室中的空气并通入氦气，将清洗干燥后的钴箔放入通有氦气的反应室中，并将钴箔加热至700℃保温，然后开启紫外光光源设备，令紫外光照射在钴箔表面，紫外光的波长为350nm，接着通入乙炔10sccm，乙炔与氦气的体积比为8:1，保持300分钟；
3.反应完成后，停止通入乙炔，停止对钴箔加热及关闭紫外光光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入氦气，钴箔表面生成碳纳米壁，将其从钴箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末；
4.采用不锈钢片作为集流体，将上述制备得到的碳纳米壁粉末放入集流体上，在集流体上压制成规格为75*40*7mm3（约2g）的碳纳米壁片层作为工作电极，以铅板作为对电极，Hg/Hg2SO4作为参比电极，EtMeImCF3SO3作为电解液，将三电极放入电解池并完全浸泡在电解液中，对工作电极施加20V的电压，保持0.1小时，然后施加反向电压-5V，保持1小时，便得到石墨烯纳米带与EtMeImCF3SO3离子液体电解液的混合物。将该混合进行过滤，将得到的滤渣用NMP过滤洗涤5次，再依次用乙醇、丙酮及去离子水洗涤，将洗涤后的滤渣在真空干燥箱里100℃下干燥至恒重可得到石墨烯纳米带。
实施例4
1.采用镍箔作为衬底，将镍箔放入浓度为0.2mol/L的稀盐酸溶液中刻蚀2分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗并干燥；
2.排除反应室中的空气并通入氮气，将清洗干燥后的镍箔放入通有氮气的反应室中，并将镍箔加热至750℃并保温，然后开启紫外光光源设备，令紫外光照射在镍箔表面，紫外光的波长为400nm，接着通入丙烷1000sccm，丙烷与氮气的体积比为10:1，保持30分钟；
3.反应完成后，停止通入丙烷，停止对镍箔加热及关闭紫外光光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入氮气，镍箔表面生成碳纳米壁，将其从镍箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末；
4.采用不锈钢片作为集流体，将上述制备得到的碳纳米壁粉末放入集流体上，在集流体上压制成规格为75*40*7mm3（约2g）的碳纳米壁片层作为工作电极，以铅板作为对电极，Hg/Hg2SO4作为参比电极，EtMeImCF3CO3作为电解液，将三电极放入电解池并完全浸泡在电解液中，对工作电极施加5V的电压，保持1小时，然后施加反向电压-12V，保持2小时，便得到石墨烯纳米带与EtMeImCF3CO3离子液体的混合物。将该混合进行过滤，将得到的滤渣用DMF过滤洗涤3次，再依次用乙醇、丙酮及去离子水洗涤，将洗涤后的滤渣在真空干燥箱里90℃下干燥至恒重可得到石墨烯纳米带。
实施例5
1.采用铁箔作为衬底，将铁箔放入浓度为0.1mol/L的稀硫酸溶液中刻蚀5分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗并干燥；
2.排除反应室中的空气并通入氩气，将清洗干燥后的铁箔放入通有氩气的反应室中，并将铁箔加热至800℃并保温，然后开启紫外光光源设备，令紫外光照射在铁箔表面，紫外光的波长为280nm，接着通入乙醇500sccm，乙醇与氩气的体积比为6:1，保持50分钟；
3.反应完成后，停止通入乙醇，停止对铁箔加热及关闭紫外光光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入氩气，铁箔表面生成碳纳米壁，将其从铁箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末；
4.采用不锈钢片作为集流体，将上述制备得到的碳纳米壁粉末放入集流体上，在集流体上压制成规格为75*40*7mm3（约2g）的碳纳米壁片层作为工作电极，以铅板作为对电极，Hg/Hg2SO4作为参比电极，EtMeImC(CF3SO2)3作为电解液，将三电极放入电解池并完全浸泡在电解液中，对工作电极施加2V的电压，保持2小时，然后施加反向电压-1V，保持5小时，便得到石墨烯纳米带与EtMeImC(CF3SO2)3离子液体电解液的混合物。将该混合进行过滤，将得到的滤渣用NMP过滤洗涤4次，再依次用乙醇、丙酮及去离子水洗涤，将洗涤后的滤渣在真空干燥箱里70℃下干燥至恒重可得到石墨烯纳米带。
实施例6
1.采用钴箔作为衬底，将钴箔放入浓度为0.4mol/L的稀硝酸溶液中刻蚀8分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗并干燥；
2.排除反应室中的空气并通入氦气，将清洗干燥后的钴箔放入通有氦气的反应室中，并将钴箔加热至850℃并保温，然后开启紫外光光源设备，令紫外光照射在钴箔表面，紫外光的波长为330nm，接着通入甲烷800sccm，甲烷与氦气的体积比为4:1，保持90分钟；
3.反应完成后，停止通入甲烷，停止对钴箔加热及关闭紫外光光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入氦气，钴箔表面生成碳纳米壁，将其从钴箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末；
4.采用不锈钢片作为集流体，将上述制备得到的碳纳米壁粉末放入集流体上，在集流体上压制成规格为75*40*7mm3（约2g）的碳纳米壁片层作为工作电极，以铅板作为对电极，Hg/Hg2SO4作为参比电极，EtMeImN(C2F5SO2)2作为电解液，将三电极放入电解池并完全浸泡在电解液中，对工作电极施加1V的电压，保持5小时，然后施加反向电压-0.5V，保持8小时，便得到石墨烯纳米带与EtMeImN(C2F5SO2)2离子液体电解液的混合物。将该混合进行过滤，将得到的滤渣用DMF过滤洗涤5次，再依次用乙醇、丙酮及去离子水洗涤，将洗涤后的滤渣在真空干燥箱里60℃下干燥至恒重可得到石墨烯纳米带。
实施例7
1.采用镍箔作为衬底，将镍箔放入浓度为0.25mol/L的稀盐酸溶液中刻蚀3分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗并干燥；
2.排除反应室中的空气并通入氮气，将清洗干燥后的镍箔放入通有氮气的反应室中，并将镍箔加热至900℃并保温，然后开启紫外光光源设备，令紫外光照射在镍箔表面，紫外光的波长为200nm，接着通入乙烷300sccm，乙烷与氮气的体积比为3:1，保持120分钟；
3.反应完成后，停止通入乙烷，停止对镍箔加热及关闭紫外光光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入氮气，镍箔表面生成碳纳米壁，将其从镍箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末；
4.采用不锈钢片作为集流体，将上述制备得到的碳纳米壁粉末放入集流体上，在集流体上压制成规格为75*40*7mm3（约2g）的碳纳米壁片层作为工作电极，以铅板作为对电极，Hg/Hg2SO4作为参比电极，EtMeImN(CN)2作为电解液，将三电极放入电解池并完全浸泡在电解液中，对工作电极施加0.1V的电压，保持8小时，然后施加反向电压-0.2V，保持10小时，便得到石墨烯纳米带与EtMeImN(CN)2离子液体电解液的混合物。将该混合进行过滤，将得到的滤渣用NMP过滤洗涤3次，再依次用乙醇、丙酮及去离子水洗涤，将洗涤后的滤渣在真空干燥箱里100℃下干燥至恒重可得到石墨烯纳米带。
实施例8
1.采用铁箔作为衬底，将铁箔放入浓度为1mol/L的稀盐酸溶液中刻蚀4分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗并干燥；
2.排除反应室中的空气并通入氩气，将清洗干燥后的铁箔放入通有氩气的反应室中，并将铁箔加热至650℃并保温，然后开启紫外光光源设备，令紫外光照射在铁箔表面，紫外光的波长为400nm，接着通入乙炔200sccm，乙炔与氩气的体积比为2:1，保持180分钟；
3.反应完成后，停止通入乙炔，停止对铁箔加热及关闭紫外光光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入氩气，铁箔表面生成碳纳米壁，将其从铁箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末；
4.采用不锈钢片作为集流体，将上述制备得到的碳纳米壁粉末放入集流体上，在集流体上压制成规格为75*40*7mm3（约2g）的碳纳米壁片层作为工作电极，以铅板作为对电极，Hg/Hg2SO4作为参比电极，1-Et-3,5-Me2ImN(CF3SO2)2作为电解液，将三电极放入电解池并完全浸泡在电解液中，对工作电极施加15V的电压，保持0.2小时，然后施加反向电压-0.1V，保持8小时，便得到石墨烯纳米带与1-Et-3,5-Me2ImN(CF3SO2)2离子液体电解液的混合物。将该混合进行过滤，将得到的滤渣用DMF过滤洗涤6次，再依次用乙醇、丙酮及去离子水洗涤，将洗涤后的滤渣在真空干燥箱里80℃下干燥至恒重可得到石墨烯纳米带。
实施例9
1.采用钴箔作为衬底，将钴箔放入浓度为0.3mol/L的稀硫酸溶液中刻蚀2分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗并干燥；
2.排除反应室中的空气并通入氩气，将清洗干燥后的钴箔放入通有氦气的反应室中，并将钴箔加热至700℃并保温，然后开启紫外光光源设备，令紫外光照射在钴箔表面，紫外光的波长为300nm，接着通入丙烷50sccm，丙烷与氦气的体积比为5:1，保持240分钟；
3.反应完成后，停止通入丙烷，停止对钴箔加热及关闭紫外光光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入氦气，钴箔表面生成碳纳米壁，将其从钴箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末。
4.采用不锈钢片作为集流体，将上述制备得到的碳纳米壁粉末放入集流体上，在集流体上压制成规格为75*40*7mm3（约2g）的碳纳米壁片层作为工作电极，以铅板作为对电极，Hg/Hg2SO4作为参比电极，1,3-Et2-4-MeImN(CF3SO2)2作为电解液，将三电极放入电解池并完全浸泡在电解液中，对工作电极施加10V的电压，保持1小时，然后施加反向电压-0.1V，保持10小时，便得到石墨烯纳米带与1,3-Et2-4-MeImN(CF3SO2)2离子液体电解液的混合物。将该混合进行过滤，将得到的滤渣用NMP过滤洗涤3次，再依次用乙醇、丙酮及去离子水洗涤，将洗涤后的滤渣在真空干燥箱里90℃下干燥至恒重可得到石墨烯纳米带。
实施例10
1.采用镍箔作为衬底，将镍箔放入浓度为0.5mol/L的稀硝酸溶液中刻蚀5分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗并干燥；
2.排除反应室中的空气并通入氮气，将清洗干燥后的镍箔放入通有氮气的反应室中，并将镍箔加热至800℃并保温，然后开启紫外光光源设备，令紫外光照射在镍箔表面，紫外光的波长为250nm，接着通入乙醇20sccm，乙醇与氮气的体积比为8:1，保持300分钟；
3.反应完成后，停止通入乙醇，停止对镍箔加热及关闭紫外光光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入氮气，镍箔表面生成碳纳米壁，将其从镍箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末；
4.采用不锈钢片作为集流体，将上述制备得到的碳纳米壁粉末放入集流体上，在集流体上压制成规格为75*40*7mm3（约2g）的碳纳米壁片层作为工作电极，以铅板作为对电极，Hg/Hg2SO4作为参比电极，1,3-Et2-5-MeImN(CF3SO2)2作为电解液，将三电极放入电解池并完全浸泡在电解液中，对工作电极施加0.8V的电压，保持5小时，然后施加反向电压-0.5V，保持5小时，便得到石墨烯纳米带与1,3-Et2-5-MeImN(CF3SO2)2离子液体电解液的混合物。将该混合进行过滤，将得到的滤渣用DMF过滤洗涤4次，再依次用乙醇、丙酮及去离子水洗涤，将洗涤后的滤渣在真空干燥箱里70℃下干燥至恒重可得到石墨烯纳米带。
实施例11
1.采用钴箔作为衬底，将钴箔放入浓度为0.05mol/L的稀盐酸溶液中刻蚀1分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗并干燥；
2.排除反应室中的空气并通入氩气，将清洗干燥后的钴箔放入通有氩气的反应室中，并将钴箔加热至900℃并保温，然后开启紫外光光源设备，令紫外光照射在钴箔表面，紫外光的波长为200nm，接着通入甲烷100sccm，甲烷与氩气的体积比为10:1，保持30分钟；
3.反应完成后，停止通入甲烷，停止对钴箔加热及关闭紫外光光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入氩气，钴箔表面生成碳纳米壁，将其从钴箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末；
4.采用不锈钢片作为集流体，将上述制备得到的碳纳米壁粉末放入集流体上，在集流体上压制成规格为75*40*7mm3（约2g）的碳纳米壁片层作为工作电极，以铅板作为对电极，Hg/Hg2SO4作为参比电极，EtMeImBF4作为电解液，将三电极放入电解池并完全浸泡在电解液中，对工作电极施加0.1V的电压，保持10小时，然后施加反向电压-8V，保持0.5小时，便得到石墨烯纳米带与EtMeImBF4离子液体电解液的混合物。将该混合进行过滤，将得到的滤渣用NMP过滤洗涤5次，再依次用乙醇、丙酮及去离子水洗涤，将洗涤后的滤渣在真空干燥箱里100℃下干燥至恒重可得到石墨烯纳米带。
实施例1~11的工艺参数见表1。
表1实施例1~11的工艺参数
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
使用稀酸溶液对金属衬底进行刻蚀，所述金属衬底为铁箔、镍箔及钴箔中的一种；
在无氧和保护气体的氛围下，将所述金属衬底加热至600℃～900℃；
在紫外光的照射下，向所述金属衬底表面通入甲烷、乙烷、丙烷、乙炔及乙醇中的一种，经过光催化化学气相沉积反应30分钟～300分钟，在所述金属衬底表面生成碳纳米壁；
反应完成后，在所述保护气体的氛围下将附有碳纳米壁的金属衬底冷却至室温，然后将所述碳纳米壁从所述金属衬底的表面刮下，得到碳纳米壁粉末；
将所述碳纳米壁粉末放置于集流体上并压制成碳纳米壁片层得到工作电极；
将对电极、参比电极及所述工作电极共同浸泡于离子液体电解液中，对所述工作电极施加0.1V～20V的正向电压，保持0.1小时～10小时，然后再向所述工作电极施加-20V～-0.1V的反向电压，保持0.1小时～10小时，得到石墨烯纳米带与离子液体电解液的混合物，将所述混合物进行过滤，洗涤滤渣并干燥得到石墨烯纳米带。
2.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述使用稀酸溶液对金属衬底进行刻蚀的步骤具体为：将所述金属衬底放入浓度为0.01mol/L～1mol/L的稀酸溶液中刻蚀0.5分钟～10分钟。
3.根据权利要求2所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述使用稀酸溶液对金属衬底进行刻蚀步骤具体为：将所述金属衬底放入浓度为0.1mol/L～0.5mol/L的稀酸溶液中刻蚀1分钟～3分钟。
4.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述紫外光的波长为200～400nm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述甲烷、乙烷、丙烷、乙炔及乙醇中的一种的流量为10sccm～1000sccm。
6.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述甲烷、乙烷、丙烷、乙炔及乙醇中的一种与所述保护气体的体积比为2～10:1。
7.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述离子液体电解液选自1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酰亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸、1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酰碳、1-乙基-3-甲基咪唑五氟乙酰亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑二氰化氮、1-乙基-3,5-二甲基咪唑三氟甲磺酰亚胺、1,3-二乙基-4-甲基咪唑三氟甲磺酰亚胺及1,3-二乙基-5-甲基咪唑三氟甲磺酰亚胺中的一种。
8.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述洗涤滤渣并干燥得到石墨烯纳米带的步骤具体为：将所述滤渣用1-甲基-2-吡咯烷酮或N,N-二甲基甲酰胺洗涤3～6次，再依次用乙醇、丙酮及去离子水洗涤，然后将洗涤后的滤渣于60℃～100℃下真空干燥至恒重得到石墨烯纳米带。
9.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述保护气体选自氦气、氮气及氩气中的一种。
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