CN107200317A - 一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法 - Google Patents

一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107200317A
CN107200317A CN201710244391.5A CN201710244391A CN107200317A CN 107200317 A CN107200317 A CN 107200317A CN 201710244391 A CN201710244391 A CN 201710244391A CN 107200317 A CN107200317 A CN 107200317A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
silica
graphene
dilute
graphite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710244391.5A
Other languages
English (en)
Inventor
管迎春
卢立斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN201710244391.5A priority Critical patent/CN107200317A/zh
Publication of CN107200317A publication Critical patent/CN107200317A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/16—Pore diameter
    • C01P2006/17—Pore diameter distribution

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法，属于石墨烯材料技术领域。本发明技术方案包括：采用溶胶‑凝胶法制备“三明治”结构氧化石墨稀‑二氧化硅复合材料，并在氮气氛围中对其进行煅烧还原，得到石墨烯‑二氧化硅复合材料。采用激光加工石墨烯‑二氧化硅酒精溶液，将加工后的溶液与一定浓度的氢氟酸溶液混合，静置一段时间后对混合溶液进行离心，即得到多孔结构石墨烯。本发明打破了传统制备多孔石墨烯的水热等方法程序复杂、孔径较大且不可控制等缺点，制备成本低、绿色节能、便于量产，通过改变溶胶‑凝胶法使用表面活性剂种类即可改变石墨烯的孔径的大小。

Description

一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及石墨烯材料技术领域，特别是涉及一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法。
背景技术
多孔石墨烯是指在二维基面上具有纳米级孔隙的碳材料，是近年来石墨烯缺陷功能化的研究热点。多孔石墨烯不仅保留了石墨烯优良的性质，而且孔的存在不仅促进了物质运输效率的提高，特别是原子级别的孔可以起到筛分不同尺寸的离子、分子的作用。还且孔的存在有效地打开了石墨烯的能带隙，促进了石墨烯在电子器件领域的应用。
通常制备多孔石墨烯的办法有：利用高能电子束、离子束或者光子束等对石墨烯刻蚀的光刻法，但是此种方法制备的纳米孔洞的大小和周期性并不一致，且孔径达到了数百纳米，限制了其在一些领域的应用。在一定温度下，借助催化剂的作用，使特定位置的碳原子被移除，在表面产生孔隙的催化刻蚀法；此种方法虽然相对简单，但孔结构不利于控制，且孔的增加也没有改变石墨烯的整体缺陷密度。采用化学腐蚀技术湿法刻蚀发；此种方法制备的石墨烯容易过氧化而形成较多的缺陷，降低了石墨烯的机械性能，并且反应条件较难控制，孔径分布不均。将碳作为还原剂，还原金属氧化物得到金属单质，而碳原子本身在还原过程中被刻蚀的碳热还原法。综上，制备多孔石墨烯材料的方法虽然较多，但大部分是制备方法较为复杂，制备的石墨烯的孔径较大，制约了多孔石墨烯在一些领域的应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法，首先使用溶胶-凝胶法，在石墨稀片层两面各生长一层介孔结构的二氧化硅，得到“三明治”结构的二氧化硅-氧化石墨稀-二氧化硅复合材料，并在氮气氛围中对其进行煅烧还原，得到“三明治”结构的二氧化硅-石墨烯-二氧化硅复合材料。将“三明治”结构二氧化硅-石墨烯-二氧化硅溶于无水乙醇中，并使用皮秒激光对其进行加工，激光透过二氧化硅上的介孔对石墨烯进行刻蚀加工，最后利用氢氟酸溶液除掉石墨烯表层上的二氧化硅，即得到多孔结构石墨烯，该制备方法制作成本低、绿色节能、便于量产简单，得到的多孔石墨烯比表面积大，通过改变溶胶-凝胶法所使用表面活性剂的种类即可控制石墨烯孔径的大小。
一种激光制备多孔石墨烯的方法，该方法包括如下步骤：
(1)采用溶胶-凝胶法，在石墨稀片层两面各生长一层介孔二氧化硅，得到“三明治”结构的二氧化硅-氧化石墨稀-二氧化硅复合材料。
(2)在氮气氛围中对步骤(1)得到的二氧化硅-氧化石墨稀-二氧化硅复合材料进行煅烧还原，得到“三明治”结构二氧化硅-石墨稀-二氧化硅复合材料。
(3)将步骤(2)得到的二氧化硅-石墨稀-二氧化硅溶解于无水乙醇中，得到二氧化硅-石墨稀-二氧化硅酒精溶液。
(4)设定激光参数，调整激光焦点位置，对步骤(3)中制备的二氧化硅-石墨稀-二氧化硅溶液进行加工，同时采用磁力搅拌对溶液进行搅拌并施加水浴。
(5)将步骤(4)得到的溶液与一定浓度的氢氟酸溶液混合，并静置一段时间，使其充分发生反应。
(6)使用离心机对步骤(5)得到的溶液进行离心，除去离心后的上层溶液，即可得到多孔结构石墨烯。
优选的，步骤(1)中溶胶-凝胶法采用的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵或泊洛沙姆。
优选的，步骤(2)中的氧化石墨烯煅烧时间为3～5h。
优选的，步骤(3)所述的二氧化硅-石墨稀-二氧化硅酒精溶液的浓度为400～800mg/L。
优选的，步骤(4)中所述的激光相关加工参数如下：采用皮秒激光器对二氧化硅-石墨稀-二氧化硅溶液进行加工，激光聚焦在液面下2～8mm处，激光波长为193～1070nm，脉冲宽度为50～500ps，激光功率为2～5W，激光脉冲重复频率为100KHz～1MHz，激光加工时间60～120min。
优选的，步骤(4)中所述的磁力搅拌器转子转速80～200rpm/min。
优选的，步骤(5)中所述的氢氟酸浓度为10％～30％，静置时间为6～12h。
优选的，步骤(6)所述的离心机转速为3000～4000rpm/min，离心时间为20～40min。
本发明所述的一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法，在溶胶-凝胶法制备“三明治”结构二氧化硅-氧化石墨稀-二氧化硅复合材料时，改变表面活性剂的种类，即可改变二氧化硅上介孔大小，激光加工后，即可得到孔径较小且可控多孔石墨烯材料。相比于传统的制备多孔石墨烯的方法，本发明的优点在于：
(1)通过改变溶胶-凝胶法制备“三明治”结构氧化石墨稀-二氧化硅复合材料时所使用的表面活性剂种类，即可获得不同孔径的多孔结构石墨烯，孔径大小及密度可控。
(2)该方法利用激光直接加工系统，直接在“三明治”结构石墨烯-二氧化硅复合材料上加工出纳米孔洞，更加的绿色环保，制备成本低、便于量产。
(3)该方法加工可以在石墨烯上得到直径更小的纳米孔，所制备的多孔石墨烯材料应用范围更广。
(4)
附图说明
图1为实施例1中多孔石墨烯的制备流程图。
图2为本发明激光加工的装置示意图。其中：1为激光器，2为反射镜，3为聚焦镜，4为水浴装置，5为石墨稀-二氧化硅酒精溶液，6为磁力旋转台，7为工作台。
图3为实施例2中多孔石墨烯的TEM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
一种基于激光制备多孔石墨烯的方法，如图1所示，包括下列步骤：
(1)使用十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，采用溶胶-凝胶法，石墨稀片层两面各生长一层具有介孔的二氧化硅，得到具有“三明治”结构的氧化石墨稀-二氧化硅复合材料，孔径大小约为2nm。
(2)在氮气氛围中对步骤(1)得到的氧化石墨稀-二氧化硅复合材料进行煅烧还原，得到“三明治”结构的石墨稀-二氧化硅复合材料。
(3)将步骤(2)得到的石墨稀-二氧化硅溶解于无水乙醇中，得到石墨稀-二氧化硅酒精溶液。
(4)将石墨稀-二氧化硅酒精溶液置于图2所示的激光加工装置中，设定激光参数，调整激光焦点位置，对步骤(3)制备的酒精溶液进行加工，同时采用磁力搅拌对溶液进行搅拌并施加水浴。该激光加工装置具体包括：激光器1，反射镜2，聚焦镜3，水浴装置4，石墨稀-二氧化硅酒精溶液5，磁力旋转台6，工作台7。
(5)将步骤(4)得到的溶液与一定浓度的氢氟酸溶液混合，并静置一段时间，使其充分发生反应。
(6)使用离心机对步骤(5)得到的溶液进行离心，除去离心后的上层溶液，即可得到多孔结构石墨烯。
优选的，步骤(1)中溶胶-凝胶法采用的表面活性剂可以为泊洛沙姆，得到介孔的孔径大小约为20nm。
优选的，步骤(2)中的氧化石墨烯煅烧时间为3～5h。
优选的，步骤(3)所述的石墨稀-二氧化硅酒精溶液的浓度为400～800mg/L。
优选的，步骤(4)中所述的激光相关加工参数如下：采用皮秒激光器对石墨稀-二氧化硅酒精溶液进行加工，激光焦点在液面2～8mm处，激光波长为193～1070nm，脉冲宽度为50-500ps，激光功率为2～5W，激光脉冲重复频率为100KHz～1MHz，激光加工时间60～120min。
优选的：步骤(4)中所述的磁力搅拌器转子转速80～200rpm/min。
优选的，步骤(5)中所述的氢氟酸浓度为10％～30％，静置时间为6～12h。
优选的，步骤(6)所述的离心机转速为3000～4000rpm/min，离心时间为20～50min。
实施例1
(1)以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂，采用溶胶-凝胶法，石制备“三明治”结构的氧化石墨稀-二氧化硅复合材料。
(2)将氧化石墨稀-二氧化硅复合材料在氮气氛围中550℃煅烧3h，得到石墨稀-二氧化硅复合材料。
(3)将200mg石墨稀-二氧化硅复合材料溶解于500mL无水乙醇中。
(4)对装有石墨稀-二氧化硅溶液的烧杯施加水浴，并置于磁力搅拌台上。将整套装置放置于武汉安阳公司PicoYL系列皮秒激光加工系统的工作台上。调整激光焦点至液面3mm处，设置激光功率为2W，激光脉冲重复频率为100KHz，激光波长为193nm，脉冲宽度为100ps，激光加工时间60min。
(5)将加工后的石墨稀-二氧化硅溶液与10％浓度的氢氟酸溶液混合，并静置6h，使其充分发生反应。
(6)使用离心机对反应后的石墨稀/二氧化硅混合溶液进行离心，离心转速3000rpm/min，离心时间为20min。倒去离心后的上层溶液，即可得到多孔结构石墨烯。
实施例2
(1)以泊洛沙姆(F127)为表面活性剂，采用溶胶-凝胶法，石制备“三明治”结构的氧化石墨稀/二氧化硅复合材料。
(2)将氧化石墨稀-二氧化硅复合材料在氮气氛围中550℃煅烧4h，得到石墨稀-二氧化硅复合材料。
(3)将300g石墨稀-二氧化硅复合材料溶解于500mL无水乙醇中。
(4)对装有石墨稀-二氧化硅溶液的烧杯施加水浴，并置于磁力搅拌台上。将整套装置放置于武汉安阳公司PicoYL系列皮秒激光加工系统的工作台上。调整激光焦点至液面8mm处，设置激光功率为3W，激光脉冲重复频率为500KHz，激光波长为1024nm，脉冲宽度为200ps，激光加工时间80min。
(5)将加工后的石墨稀-二氧化硅溶液与15％浓度的氢氟酸溶液混合，并静置一段7h，使其充分发生反应。
(6)使用离心机对反应后的石墨稀/二氧化硅混合溶液进行离心，离心转速3500rpm/min，离心时间为30min。倒去离心后的上层溶液，即可得到多孔结构石墨烯，如图3所示。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种激光制备多孔石墨烯的方法，特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)采用溶胶-凝胶法，在石墨稀片层两面各生长一层介孔二氧化硅，得到“三明治”结构的二氧化硅-氧化石墨稀-二氧化硅复合材料；
(2)在氮气氛围中对步骤(1)得到的二氧化硅-氧化石墨稀-二氧化硅复合材料进行煅烧还原，得到“三明治”结构二氧化硅-石墨稀-二氧化硅复合材料；
(3)将步骤(2)得到的二氧化硅-石墨稀-二氧化硅溶解于无水乙醇中，得到二氧化硅-石墨稀-二氧化硅酒精溶液；
(4)设定激光参数，调整激光焦点位置，对步骤(3)中制备的二氧化硅-石墨稀-二氧化硅溶液进行加工，同时采用磁力搅拌对溶液进行搅拌并施加水浴；
(5)将步骤(4)得到的溶液与一定浓度的氢氟酸溶液混合，并静置一段时间，使其充分发生反应；
(6)使用离心机对步骤(5)得到的溶液进行离心，除去离心后的上层溶液，即可得到多孔结构石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种激光制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：步骤(1)中溶胶-凝胶法采用的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵或泊洛沙姆。
3.根据权利要求1所述的一种激光制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：步骤(2)中的氧化石墨烯煅烧时间为3～5h。
4.根据权利要求1所述的一种激光制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：步骤(3)所述的二氧化硅-石墨稀-二氧化硅酒精溶液的浓度为400～800mg/L。
5.根据权利要求1所述的一种激光制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：步骤(4)中所述的激光相关加工参数如下：采用皮秒激光器对二氧化硅-石墨稀-二氧化硅溶液进行加工，激光聚焦在液面下2～8mm处，激光波长为193～1070nm，脉冲宽度为50～500ps，激光功率为2～5W，激光脉冲重复频率为100KHz～1MHz，激光加工时间60～120min。
6.根据权利要求1所述的一种激光制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：步骤(4)中所述的磁力搅拌器转子转速80～200rpm/min。
7.根据权利要求1所述的一种激光制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：步骤(5)中所述的氢氟酸浓度为10％～30％，静置时间为6～12h。
8.根据权利要求1所述的一种激光制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：步骤(6)所述的离心机转速为3000～4000rpm/min，离心时间为20～40min。
CN201710244391.5A 2017-04-14 2017-04-14 一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法 Pending CN107200317A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710244391.5A CN107200317A (zh) 2017-04-14 2017-04-14 一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710244391.5A CN107200317A (zh) 2017-04-14 2017-04-14 一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107200317A true CN107200317A (zh) 2017-09-26

Family

ID=59904957

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710244391.5A Pending CN107200317A (zh) 2017-04-14 2017-04-14 一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107200317A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108264036A (zh) * 2018-03-29 2018-07-10 中国科学院福建物质结构研究所 一种氟氧化石墨烯的制备方法
CN110877907A (zh) * 2019-09-26 2020-03-13 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料及其制备方法
CN112520723A (zh) * 2019-09-18 2021-03-19 天津大学 一种通过破坏石墨烯周期性提高氟化碳放电电压的方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102358614A (zh) * 2011-10-20 2012-02-22 中国科学院物理研究所 一种石墨烯纳米图案的加工方法
CN102471069A (zh) * 2009-06-30 2012-05-23 诺基亚公司 石墨烯器件和制造石墨烯器件的方法
CN102583337A (zh) * 2012-01-20 2012-07-18 中国科学院上海硅酸盐研究所 多孔结构石墨烯材料的制备方法
CN102906016A (zh) * 2010-04-22 2013-01-30 巴斯夫欧洲公司 制备基于石墨烯的二维夹层纳米材料的方法
CN104752703A (zh) * 2015-04-01 2015-07-01 广东烛光新能源科技有限公司 一种多孔类石墨烯及其制备方法
CN106206050A (zh) * 2016-06-29 2016-12-07 南京邮电大学 一种激光还原制备多孔石墨烯的方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102471069A (zh) * 2009-06-30 2012-05-23 诺基亚公司 石墨烯器件和制造石墨烯器件的方法
CN102906016A (zh) * 2010-04-22 2013-01-30 巴斯夫欧洲公司 制备基于石墨烯的二维夹层纳米材料的方法
CN102358614A (zh) * 2011-10-20 2012-02-22 中国科学院物理研究所 一种石墨烯纳米图案的加工方法
CN102583337A (zh) * 2012-01-20 2012-07-18 中国科学院上海硅酸盐研究所 多孔结构石墨烯材料的制备方法
CN104752703A (zh) * 2015-04-01 2015-07-01 广东烛光新能源科技有限公司 一种多孔类石墨烯及其制备方法
CN106206050A (zh) * 2016-06-29 2016-12-07 南京邮电大学 一种激光还原制备多孔石墨烯的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘佩佩等: "石墨烯/二氧化硅负载纳米零价铁对As(III)的去除", 《环境工程学报》 *
林喆等: "基于飞秒激光切割的石墨烯图案化研究", 《中国激光》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108264036A (zh) * 2018-03-29 2018-07-10 中国科学院福建物质结构研究所 一种氟氧化石墨烯的制备方法
CN112520723A (zh) * 2019-09-18 2021-03-19 天津大学 一种通过破坏石墨烯周期性提高氟化碳放电电压的方法
CN110877907A (zh) * 2019-09-26 2020-03-13 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Are lanthanide-doped upconversion materials good candidates for photocatalysis?
CN107200317A (zh) 一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法
CN105883912B (zh) 一种自支撑二氧化钛三维微纳米结构制备方法
TWI599060B (zh) Suede structure of a crystalline silicon solar cell and its preparation method
Zhou et al. A facile synthesis of uniform NH4TiOF3 mesocrystals and their conversion to TiO2 mesocrystals
CN103449524B (zh) 一种氧化钼纳米光热转换材料及其制备方法
CN104874384B (zh) 一种微纳复合结构二氧化钛薄膜的制备方法
CN101752093B (zh) 用于染料太阳能电池的光子晶体结构薄膜电极的制备方法
CN105271393B (zh) 一种在钛基底上制备锐钛矿型二氧化钛微纳米结构的方法
CN106669756B (zh) 一种纳米层状g-C3N4/Ag@AgCl复合光催化材料的制备方法
CN104466117A (zh) 一种三维多孔硅粉的制备方法
CN101752094B (zh) 纳米金属掺杂的光子晶体结构电极及其制备方法
CN104911668B (zh) 一种制备纳米锥形孔阳极氧化铝模板的方法
CN107416898A (zh) 一种二氧化钛空心微纳米球、其制备方法以及应用
CN104593864A (zh) 二氧化钛反蛋白石及其制备方法
CN101734717B (zh) 基于光辅助的多孔二氧化钛的制备方法
CN109576986A (zh) 一种木棉纤维/二氧化锰构筑的多层自驱动管状微纳马达及其制备方法
Nell et al. Preparation and Characterization of High-Surface-Area Bi (1–x)/3V1–x Mo x O4 Catalysts
CN102531051A (zh) 高度双重有序宏孔/介孔TiO2薄膜及其制备方法
CN110449583B (zh) 一种激光快速制备金属纳米多孔材料的方法
CN105036250A (zh) 一种活性炭纤维负载有序介孔碳-石墨烯复合材料的制备方法和应用
CN103272487B (zh) 一种以石墨烯为模板制备纳米多孔金薄膜的方法
CN104724756A (zh) 一种一步法制备尺寸可控、特定结构钒氧化物的方法
Bhosale et al. Recent trends in synthetic Top-down approach for Mesoporous Carbon: A seminal review
CN103320839A (zh) 去除有机污染物的二氧化钛纳米管阵列光电极的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170926

RJ01 Rejection of invention patent application after publication