CN103910353A - 石墨烯纳米带的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：将碳纳米管加入混合酸中，回流反应1小时~8小时后，过滤、洗涤后干燥得到腐蚀后的碳纳米管，所述混合酸由浓硝酸及浓硫酸混合形成；将所述腐蚀后的碳纳米管与离子液体混合形成混合液，将混合液以2KW~10KW的功率进行超声剥离；及将超声剥离后的混合液过滤，使用溶剂洗涤滤渣，将滤渣干燥得到石墨烯纳米带。上述石墨烯纳米带的制备方法工艺简单。
Description
技术领域
本发明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，并获得2010年物理诺贝尔奖，再次引发碳材料研究热潮。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（APeigney,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。石墨烯纳米带不仅有石墨烯的性能，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。目前的石墨烯纳米带制备工艺较为复杂。
发明内容
基于此，有必要提供一种制备工艺简单的石墨烯纳米带的制备方法。
一种石墨烯纳米带的制备方法，包括如下步骤：
将碳纳米管加入混合酸中，回流反应1小时~8小时后，过滤、洗涤后干燥得到腐蚀后的碳纳米管，所述混合酸由浓硝酸及浓硫酸混合形成；
将所述腐蚀后的碳纳米管与离子液体混合形成混合液，将混合液以2KW~10KW的功率进行超声剥离；及
将超声剥离后的混合液过滤，使用溶剂洗涤滤渣，将滤渣干燥得到石墨烯纳米带。
在其中一个实施例中，所述浓硝酸与所述浓硫酸的体积比为1:0.5~1：5。
在其中一个实施例中，所述回流反应的温度为120℃~140℃。
在其中一个实施例中，所述碳纳米管与所述混合酸的固液比为1g：10mL~1g：50mL。
在其中一个实施例中，所述离子液体选自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至少一种。
在其中一个实施例中，所述碳纳米管与所述离子液体的固液比为1g：10ml~1g:1000ml。
在其中一个实施例中，所述超声剥离的时间为0.5小时~2小时。
在其中一个实施例中，所述使用溶剂洗涤滤渣时，先用1-甲基-2-吡咯烷酮及N，N-二甲基甲酰胺中的至少一种洗涤滤渣3~6次，再依次用丙酮、乙醇及去离子水洗涤。
在其中一个实施例中，所述将滤渣在60℃~80℃下真空干燥至恒重。
上述石墨烯纳米带的制备方法，以碳纳米管为原料，利用离子液体做溶剂，通过酸腐蚀与超声切割相结合的方法，快速制得石墨烯纳米带，其制备工艺简单。
附图说明
图1为一实施方式的石墨烯纳米带的制备方法的流程图；
图2为实施例1所制备的石墨烯纳米带的扫描电子显微镜照片。
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1，一实施方式的石墨烯纳米带的制备方法，包括如下步骤：
步骤S110、将碳纳米管加入混合酸中，回流反应1小时~8小时对所述碳纳米管进行腐蚀，过滤、洗涤后干燥得到腐蚀后的碳纳米管，所述混合酸由浓硝酸及浓硫酸混合形成。
该步骤中，对碳纳米管进行酸腐蚀，在腐蚀的过程中，碳纳米管表面的缺陷部位得到优先腐蚀，因而使得缺陷部位显露出来出现宏观缺口，有利于后续处理。
优选的，碳纳米管选自单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的至少一种。
优选的，纳米管与混合酸的固液比为1g：10mL~1g：50mL。
优选的，浓硝酸与浓硫酸的体积比为1:0.5~1：5。
优选的，回流反应的温度为120℃~140℃。
优选的，浓硝酸的质量浓度为98%，浓硝酸的质量浓度为65%。
优选的，干燥在真空烘箱中进行，将碳纳米管干燥至恒重。
步骤S120、将腐蚀后的碳纳米管与离子液体混合形成混合液，将混合液以2KW~10KW的功率进行超声剥离。
该步骤中，超声剥离属于物理切割，进对切口处产生一些破坏，碳纳米管的其他部分不会受到破坏。
优选的，离子液体选自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-MeIm N(CF3SO2)2）中的至少一种。
优选的，碳纳米管与离子液体的固液比为1g：10ml~1g:1000ml。
优选的，超声剥离的时间为0.5小时~2小时。
步骤S130、将超声剥离后混合液过滤，使用溶剂洗涤滤渣，将滤渣干燥得到石墨烯纳米带。
优选的，使用溶剂洗涤滤渣时，先用1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）及N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中的至少一种洗涤滤渣3~6次，再依次用丙酮、乙醇及去离子水洗涤。
优选的，干燥在60℃~80℃的真空干燥箱中进行，干燥至恒重。
上述石墨烯纳米带的制备方法，以碳纳米管为原料，利用离子液体做溶剂，通过酸腐蚀与超声切割相结合的方法，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；离子液体有很好的分散效果，剥离后防止石墨烯纳米带团聚，提高剥离效率；对碳纳米管进行酸腐蚀，在腐蚀的过程中，碳纳米管表面的缺陷部位得到优先腐蚀，因而使得缺陷部位显露出来出现宏观缺口，有利于后续超声分割处理，超声切割属于物理切割，进对切口处产生一些破坏，碳纳米管的其他部分不会受到破坏，超声切割功率大，能将碳纳米管较好的切割，所得石墨烯纳米带结构完整、产量高、分散性好、尺寸均匀、长径比较大。
以下结合具体实施例来进一步说明。
实施例1
本实施例制备石墨烯纳米带的步骤如下：
1.先将10g多壁碳纳米管装在三口瓶里，然后加入0.1L68%硝酸与98%硫酸体积比为1：5的混合酸，在120℃中回流8小时，取出，过滤至溶液中性，然后在真空干燥箱里干燥至恒重，备用。
2.干燥好的碳纳米管放到不锈钢杯里，按碳纳米管与离子液体的固液比为1g：10mL混合，再将不锈钢杯移到功率为10kW的大功率超声粉碎机里剥离，超声0.5小时；
3.将超声好的碳纳米管过滤一次，然后再用NMP清洗3～6次，然后再用丙酮、乙醇、去离子水各清洗过滤一次，并于60～100℃真空干燥箱里干燥至恒重，得到石墨烯纳米带。
请参阅图2，图2所示为实施例1制备的石墨烯纳米带的扫描电子显微镜（SEM）照片。从图2中可以看出制备的石墨烯纳米带的宽度均匀，约为80～100nm，长径比约为20～300。
实施例2~11
实施例2~11制备石墨烯纳米带的步骤与实施例1大致相同，其不同在于实施例2~11制备过程中的参数及制备的石墨烯纳米带的参数如表1所示。
表1
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：
将碳纳米管加入混合酸中，回流反应1小时~8小时后，过滤、洗涤后干燥得到腐蚀后的碳纳米管，所述混合酸由浓硝酸及浓硫酸混合形成；
将所述腐蚀后的碳纳米管与离子液体混合形成混合液，将混合液以2KW~10KW的功率进行超声剥离；及
将超声剥离后的混合液过滤，使用溶剂洗涤滤渣，将滤渣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，所述浓硝酸与所述浓硫酸的体积比为1:0.5~1：5。
3.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，所述回流反应的温度为120℃~140℃。
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，所述碳纳米管与所述混合酸的固液比为1g：10mL~1g：50mL。
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，所述离子液体选自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至少一种。
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，所述碳纳米管与所述离子液体的固液比为1g：10ml~1g:1000ml。
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，所述超声剥离的时间为0.5小时~2小时。
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，所述使用溶剂洗涤滤渣时，先用1-甲基-2-吡咯烷酮及N，N-二甲基甲酰胺中的至少一种洗涤滤渣3~6次，再依次用丙酮、乙醇及去离子水洗涤。
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，所述将滤渣在60℃~80℃下真空干燥至恒重。
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