CN106365151A - 一种可控制备石墨烯纳米层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可控制备石墨烯纳米层的方法。首先将石墨粉置于反应容器中，然后往反应容器中注入溶剂，进行超声震动，启动搅拌器，使得原材料石墨粉充分均匀分布于溶剂中；然后调节激光光路，使激光束依次经过全反镜和焦透镜后聚焦在液面以下3mm。开启脉冲激光，调节不同的激光能量使激光辐照液体环境中的石墨颗粒，反应过程为1‑2h后，关闭激光器，最终可获得不同层数的石墨烯。本方法操作简单，层数可控，无毒，无污染，在纳米设备和自旋电子学领域有潜在的应用。

Description

一种可控制备石墨烯纳米层的方法
技术领域
本发明涉及石墨烯制备技术领域，特别是涉及一种利用激光辐照进行可控制备石墨烯纳米层的方法。
背景技术
自2004年Geim等人采用微机械剥离法首次成功制备出了单层石墨烯后，就掀起了研究石墨烯的热潮。目前获得高质量的石墨烯的方法主要有物理剥落石墨法、化学合成法和氧化石墨还原法。但是这些方法的制备成本相对较高而且在合成产物中会出现各种官能团的掺杂问题且依赖于原材料的质量与性能，另外这些方法的不可控限制了石墨烯的应用范围。而激光的引用进一步拓宽了石墨烯的制备方法，在制备石墨烯及后续的加工处理上有意想不到的效果。所以目前需要寻求一种无需任何先决条件和无杂质的情况下可控直接制备石墨烯的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种利用激光辐照技术进行制备石墨烯纳米层的方法，该方法操作简单，层数可控，无污染，无需复杂的后处理即可实现石墨烯的制备。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种可控制备石墨烯纳米层的方法，包括以下步骤：A 将粒径≤4μm、含碳量99.0%的ABC型石墨粉置于反应容器中，向反应容器中注入溶剂后进行分散处理，使石墨粉均匀分散于溶剂中，并保证石墨粉与溶剂的浓度配比为0.02g/ml-0.03g/ml；B调节脉冲激光器的光路，使激光光束经过全反镜及聚焦透镜聚焦在反应容器的液面下；C 打开激光器，选取的激光参数为脉冲激光频率1-10Hz，激光光斑大小2mm，单脉冲能量为4-12J；利用激光光束辐照反应容器中的石墨粉与溶剂的混合液，待反应结束后关闭激光器；D 将反应容器置于干燥器中干燥以获得所需的石墨烯。
上述方案中，步骤A中的分散处理步骤为：E 将反应容器置于超声波清洗机的机腔内，开启清洗机，使石墨与溶剂分散开来；F 将转子放入反应容器中，并将反应容器放在搅拌器上，开动搅拌器，控制转子的转速使石墨均匀分散于溶剂中。
上述方案中，步骤B中激光光束聚焦在反应容器液面以下2-3mm。
上述方案中，步骤C中激光光束辐照反应容器的时间为1-2h。
上述方案中，步骤A中注入反应容器中的溶剂为去离子水或无水乙醇或丙酮。
上述方案中， 步骤A中注入反应容器中的溶剂容量为50-200ml。
上述方案中，步骤E中，所述超声波清洗机频率为48-90Hz，温度为25℃，超声时间为5-15分钟。
上述方案中，步骤E中，所述超声波清洗机机腔内的清洗液为水或酒精，且所述超声波清洗机机腔内的液面高于反应容器内石墨粉混合液液面3-5cm。
上述方案中，步骤A中所述反应容器为K9玻璃容器。
本发明还保护一种利用上述的可控制备石墨烯纳米层的方法制得的石墨烯纳米层，所述石墨烯纳米层的层数为1-14层，层间距0.3-0.35nm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、本发明利用液相脉冲激光烧蚀技术制成了多层石墨烯，该方法无需苛刻的操作环境，无杂质，操作简单，成本低；2、能通过控制激光能量参数来控制获得的石墨烯层数，具有较大的比表面积，可直接获得无需复杂的后处理过程。
附图说明
图1为本发明一种可控制备石墨烯纳米层的方法的制备示意图。
图2为实施例1中所得石墨烯的透射电镜图。
图3为实施例2中所得石墨烯的透射电镜图。
图4为实施例3中所得石墨烯的透射电镜图。
图5为实施例1中所得单层石墨烯的高分辨透射电镜图。
图6为实施例1、实施例2和实施例3所得石墨烯的拉曼光谱图。
图中：1.激光器；2.全反镜；3.聚焦透镜；4.反应容器；5.溶剂；6.石墨粉；7.转子。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步地详细说明。
如图1所示，本发明的可控制备石墨烯纳米层的方法所采用的装置主要由激光器1（本实施方式采用GAIAR Nd:YAG型激光器，激光波长1064nm,脉宽10ns，所述激光器的脉冲频率保持在1-10Hz，单脉冲能量保持在4-12J）、全反镜2、聚焦透镜3、反应容器4、溶剂5、石墨粉6、转子7以及与转子7相配合的搅拌器构成，其中反应容器4整体放置在搅拌器的平台上。
实施例1
1）将粒径4μm的原材料石墨置于反应容器中，注入50ml-200ml去离子水，石墨粉与溶剂的浓度为0.02g/ml,将反应容器置于超声波清洗机腔内，开启清洗机，使石墨分散于去离子水中；2）将转子放入反应容器中，所述反应容器放在搅拌器上，开动搅拌器，控制转速使石墨均匀分布于去离子水中；3）调节脉冲激光器的光路，使激光光束经过全反镜及聚焦透镜聚焦在液面以下2-3mm，激光脉冲频率为1-10Hz，激光能量为4J；4）打开激光器，激光辐照液体环境中的石墨，反应过程持续2小时后关闭激光器；5）将反应容器置于干燥器中干燥获得所需的石墨烯。
本实施例中对上述所得的石墨烯层进行透射电子显微镜分析和拉曼光谱分析。其中透射电镜照片如图2所示，可见石墨烯的层数为1层，层间距为0.33nm。图5为单层石墨烯的高分辨率透射电子显微镜图可见石墨烯片呈6角阵列向外延展。
实施例2
与实施例1不同的是本实施例将粒径1μm的原材料石墨置于反应容器中，注入50ml-200ml去离子水，石墨粉与溶剂的浓度为0.025g/ml,将反应容器置于超声波清洗机腔内，开启清洗机，使石墨分散于去离子水中；将转子放入反应容器中，所述反应容器放在搅拌器上，开动搅拌器，控制转速使石墨均匀分布于去离子水中；调节脉冲激光器的光路，使激光光束经过全反镜及聚焦透镜聚焦在液面以下2-3mm，激光脉冲频率为1-10Hz，激光能量为8J；打开激光器，激光辐照液体环境中的石墨，反应过程持续1.5小时后关闭激光器；将反应容器置于干燥器中干燥获得所需的石墨烯。其透射电子显微镜照片如图3所示，可见石墨烯层数为6层，层间距为0.35nm。
实施例3
与实施例1不同的是本实施例将粒径0.5μm的原材料石墨置于反应容器中，注入50ml-200ml去离子水，石墨粉与溶剂的浓度为0.03g/ml,将反应容器置于超声波清洗机腔内，开启清洗机，使石墨分散于去离子水中；将转子放入反应容器中，所述反应容器放在搅拌器上，开动搅拌器，控制转速使石墨均匀分布于去离子水中；调节脉冲激光器的光路，使激光光束经过全反镜及聚焦透镜聚焦在液面以下2-3mm，激光脉冲频率为1-10Hz，激光能量为12J；打开激光器，激光辐照液体环境中的石墨，反应过程持续1小时后关闭激光器；将反应容器置于干燥器中干燥获得所需的石墨烯。其透射电子显微镜照片如图4所示，可见石墨烯层数为14层，层间距为0.3nm。
图6所示为3个实施例所得石墨烯的拉曼光谱图，根据2D峰的半高宽可知石墨烯层数在逐渐增加。

Claims (10)

1.一种可控制备石墨烯纳米层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A 将粒径≤4μm、含碳量99.0%的ABC型石墨粉置于反应容器中，向反应容器中注入溶剂后进行分散处理，使石墨粉均匀分散于溶剂中，并保证石墨粉与溶剂的浓度配比为0.02g/ml-0.03g/ml；
B调节脉冲激光器的光路，使激光光束经过全反镜及聚焦透镜聚焦在反应容器的液面下；
C 打开激光器，选取的激光参数为脉冲激光频率1-10Hz，激光光斑大小2mm，单脉冲能量为4-12J；利用激光光束辐照反应容器中的石墨粉与溶剂的混合液，待反应结束后关闭激光器；
D 将反应容器置于干燥器中干燥以获得所需的石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种可控制备石墨烯纳米层的方法，其特征在于，步骤A中的分散处理步骤为：
E 将反应容器置于超声波清洗机的机腔内，开启清洗机，使石墨与溶剂分散开来；
F 将转子放入反应容器中，并将反应容器放在搅拌器上，开动搅拌器，控制转子的转速使石墨均匀分散于溶剂中。
3.根据权利要求1或2所述的一种可控制备石墨烯纳米层的方法，其特征在于，步骤B中激光光束聚焦在反应容器液面以下2-3mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种可控制备石墨烯纳米层的方法，其特征在于，步骤C中激光光束辐照反应容器的时间为1-2h。
5.根据权利要求1或2所述的一种可控制备石墨烯纳米层的方法，其特征在于，步骤A中注入反应容器中的溶剂为去离子水或无水乙醇或丙酮。
6.根据权利要求2所述的一种可控制备石墨烯纳米层的方法，其特征在于，步骤A中注入反应容器中的溶剂容量为50-200ml。
7.根据权利要求6所述的一种可控制备石墨烯纳米层的方法，其特征在于，步骤E中，所述超声波清洗机频率为48-90Hz，温度为25℃，超声时间为5-15分钟。
8.根据权利要求7所述的一种可控制备石墨烯纳米层的方法，其特征在于，步骤E中，所述超声波清洗机机腔内的清洗液为水或酒精，且所述超声波清洗机机腔内的液面高于反应容器内石墨粉混合液液面3-5cm。
9.根据权利要求1或2所述的一种可控制备石墨烯纳米层的方法，其特征在于，步骤A中所述反应容器为K9玻璃容器。
10.一种利用权利要求1所述的可控制备石墨烯纳米层的方法制得的石墨烯纳米层，其特征在于，所述石墨烯纳米层的层数为1-14层，层间距0.3-0.35nm。
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