CN108163822A - 一种纳米片的制备方法 - Google Patents

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杜国毅
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翟霖
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李换换
王朝生
刘会阳
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Abstract

本发明涉及一种纳米片的制备方法，具体步骤如下：(1)先将层状材料完全浸没于液体中并保持温度T1保持压力P1 1～30分钟；(2)再将层状材料取出，置于温度为T2、压力为P2的环境下，使得液体迅速汽化剥离层状材料，收集剥离产物即得纳米片，其中T2‑T1为+50～+300℃或P2‑P1为‑0.5～‑0.2MPa。本发明相较于一般的纳米片制备方法，产率高，可以不使用有机溶剂，而且本发明所使用的液体也可以回收再利用，具有环境友好性，同时本发明制备的纳米片厚度薄，最小可达1～5个原子层厚度，分布在0.5～50nm之间。

Description

一种纳米片的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备领域，涉及一种纳米片的制备方法。
背景技术
进入二十一世纪以来，材料科学飞速发展，这其中尤以纳米技术最为耀眼，纳米片因其独特的性质受到了越来越多研究人员的关注。
纳米片的制备已有较多方法，以类石墨氮化碳为例，目前主流方法是液相超声法，例如文献1(类石墨相氮化碳二维纳米片的制备及可见光催化性能研究[J].材料导报,2017,31(9):77-80.)中，将三聚氰胺直接加热到550℃，并保温4小时，得到了块状类石墨氮化碳，球磨粉碎后将其置于去离子水中超声搅拌0.5～2小时不等，最后离心20分钟制得纳米氮化碳片，依此法所制得的纳米氮化碳产率较低，设备要求也较高。
除上述方法外，还有热腐蚀法，如文献2(Graphene-Like Carbon NitrideNanosheets for Improved Photocatalytic Activities[J].Advanced FunctionalMaterials,2012,22(22):4763–4770.)，但此法所得氮化碳纳米片厚度较大，分散性较差，并且产率低于6％。
另外，被公众所知的方法还有化学插层法，如文献3(Chemical exfoliation ofgraphitic carbon nitride for efficient heterogeneous photocatalysis[J].Journal of Materials Chemistry A,2013,1(46):14766-14772.)。这种方法工艺相对复杂，而且化学插层会使氮化碳的结构产生一定的破坏，引入不良杂质，有机溶剂的使用也将对环境造成一定程度的危害。
纳米片的制备方法以石墨或氧化石墨为例，剥离方法还有电化学法，如文献4(电化学剥离制备石墨烯及其石墨烯用作燃料电池催化剂载体的研究[D].华南理工大学,2013.)、化学气相沉积法，如文献5(Electronic confinement and coherence inpatterned epitaxial graphene.Science,2006,312(5777):1191-1196.)、机械法，如文献6(Electric field effect in atomically thin carbon films.[J].Science(New York,N.Y.),2004,306(5696):666.)和晶体外延生长法，如文献7(碳化硅薄膜的外延生长、结构表征及石墨烯的制备[D].中国科学技术大学,2009.)。
因此，研究一种产率高、纳米片厚度薄且原料可回收再利用的环境友好型的纳米片制备方法成为目前亟待需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的克服现有技术纳米片制备方法中存在的缺陷，提供一种制备纳米片的新方法。本发明使用一种液体完全浸没层状材料，并保持一段时间，在此期间，该种液体分子插入层状材料的片层之间，然后将层状材料置入另一具有温差和或压差的环境内后，片层间的液体迅速汽化，体积迅速膨胀，由于体积短时间快速膨胀无法全部顺利逸出而在片层间形成阻塞，产生巨大内应力，这能使层状材料片层得到剥离，制得其相应的纳米片。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种纳米片的制备方法，先将层状材料完全浸没于液体中保温保压，后升温和/或减压使得液体迅速汽化剥离层状材料即得纳米片。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种纳米片的制备方法，其具体步骤如下：
(1)先将层状材料完全浸没于液体中并保持温度T1保持压力P1 1～30分钟；此阶段保温保压的目的是使液体能够充分浸入层状材料片层之间，时间太长，实施效果没有明显提升，不利于工业化生产，时间太短，液体无法充分浸润到层状材料的片层之间。
(2)再将层状材料取出，置于温度为T2、压力为P2的环境下，使得液体迅速汽化剥离层状材料，收集剥离产物即得纳米片。多次重复步骤(1)和步骤(2)，可以得到更好的实施效果。此处包括了三个技术方案，分别为“减压”、“升温”、“升温和减压”，单独减压下，压差最好大于-0.2MPa，能够使步骤(1)和步骤(2)的液体发生迅速汽化的温差或压差均适用于本发明的制备方法。
如上所述的一种纳米片的制备方法，所述层状材料是类石墨氮化碳、石墨、氧化石墨和蒙脱土中的一种以上。
如上所述的一种纳米片的制备方法，所述迅速汽化是指液体的体积在一秒内膨胀5～200倍。
如上所述的一种纳米片的制备方法，其特征在于，T2-T1为+50～+300℃或P2-P1为-0.5～-0.2MPa。本发明的温度及压力条件并不局限于此，只要能够满足液体迅速汽化即可。
如上所述的一种纳米片的制备方法，所述液体是指液氮、液氧、液氦、液氨、液化二氧化碳、液化甲烷、液化乙烷、液化丙烷、液化正丁烷、液化异丁烷、甲醇、乙醇、乙醚和丙酮中的一种以上。能够使液体在升温或减压条件下体积迅速膨胀5倍以上的其他种类的液体均适用于本发明。
如上所述的一种纳米片的制备方法，所述完全浸没是指液体液面高度大于等于层状材料的高度。
如上所述的一种纳米片的制备方法，所述纳米片的厚度为0.5～50nm。
如上所述的一种纳米片的制备方法，所述纳米片的产率为15～30％。现有技术中制得的纳米片的产率一般为6～10％。产率为实际产量与理论产量的比值。
有益效果：
(1)本发明的一种纳米片的制备方法，制备方法简单，制得的纳米片产率高，一般在15％以上，最高可达30％；
(2)本发明的一种纳米片的制备方法，可以不使用有机溶剂，且汽化后的气体可以回收重复利用，环境友好；
(3)本发明的一种纳米片的制备方法，使用物理方法，不发生化学反应，不破坏层状材料的化学结构；
(4)本发明的一种纳米片的制备方法，所得纳米片厚度薄，最小可达1～5个原子层，分布在0.5～50nm之间。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种纳米片的制备方法，其具体步骤如下：
(1)先将类石墨氮化碳完全浸没于液氮中并保持温度T1保持压力P1 1分钟；
(2)再将类石墨氮化碳取出，置于温度为T2、压力为P2的环境下，液氮迅速汽化剥离类石墨氮化碳，收集剥离产物即得纳米片，其中T2-T1为+221℃，P2-P1为-0.099MPa。
最终制得的纳米片的厚度为1～20nm，产率为17％。
实施例2
一种纳米片的制备方法，其具体步骤如下：
(1)先将石墨完全浸没于液氧中并保持温度T1保持压力P1 22分钟；
(2)再将石墨取出，置于温度为T2、压力为P2的环境下，液氧迅速汽化剥离石墨，收集剥离产物即得纳米片，其中T2-T1为+300℃，P2-P1为0MPa。
最终制得的纳米片的厚度为40～50nm，产率为30％。
实施例3
一种纳米片的制备方法，其具体步骤如下：
(1)先将氧化石墨完全浸没于液氦中并保持温度T1保持压力P1 18分钟；
(2)再将氧化石墨取出，置于温度为T2、压力为P2的环境下，液氦迅速汽化剥离氧化石墨，收集剥离产物即得纳米片，其中T2-T1为+150℃，P2-P1为-0.01MPa。
最终制得的纳米片的厚度为30～40nm，产率为20％。
实施例4
一种纳米片的制备方法，其具体步骤如下：
(1)先将蒙脱土完全浸没于液氨中并保持温度T1保持压力P1 30分钟；
(2)再将蒙脱土取出，置于温度为T2、压力为P2的环境下，液氨迅速汽化剥离蒙脱土，收集剥离产物即得纳米片，其中T2-T1为0℃，P2-P1为-0.2MPa。
最终制得的纳米片的厚度为35～50nm，产率为19％。
实施例5
一种纳米片的制备方法，其具体步骤如下：
(1)先将石墨完全浸没于液化二氧化碳中并保持温度T1保持压力P1 11分钟；
(2)再将石墨取出，置于温度为T2、压力保持不变的环境下，液化二氧化碳迅速汽化剥离石墨，收集剥离产物即得纳米片，其中T2-T1为10℃，P2-P1为-0.2MPa。
最终制得的纳米片的厚度为0.5～10nm，产率为15％。
实施例6
一种纳米片的制备方法，其具体步骤如下：
(1)先将类石墨氮化碳完全浸没于液化甲烷中并保持温度T1保持压力P1 5分钟；
(2)再将类石墨氮化碳取出，置于温度保持不变、压力为P2的环境下，液化甲烷迅速汽化剥离类石墨氮化碳，收集剥离产物即得纳米片，其中T2-T1为25℃，P2-P1为-0.3MPa。
最终制得的纳米片的厚度为20～40nm，产率为21％。
实施例7～17
一种纳米片的制备方法，其具体步骤与实施例1基本一致，不同的是，层状材料和液体的种类，温度T1和T2，压力P1和P2，以及最终制得的纳米片的厚度，具体见下表：

Claims (9)

1.一种纳米片的制备方法，其特征是：先将层状材料完全浸没于液体中保温保压，后升温和/或减压使得液体迅速汽化剥离层状材料即得纳米片。
2.根据权利要求1所述的一种纳米片的制备方法，其特征在于，其具体步骤如下：
(1)先将层状材料完全浸没于液体中并保持温度T1保持压力P1 1～30分钟；
(2)再将层状材料取出，置于温度为T2、压力为P2的环境下，使得液体迅速汽化剥离层状材料，收集剥离产物即得纳米片。
3.根据权利要求1或2所述的一种纳米片的制备方法，其特征在于，所述层状材料是类石墨氮化碳、石墨、氧化石墨和蒙脱土中的一种以上。
4.根据权利要求2所述的一种纳米片的制备方法，其特征在于，所述迅速汽化是指液体的体积在一秒内膨胀5～200倍。
5.根据权利要求4所述的一种纳米片的制备方法，其特征在于，T2-T1为+50～+300℃或P2-P1为-0.5～-0.2MPa。
6.根据权利要求1所述的一种纳米片的制备方法，其特征在于，所述液体是指液氮、液氧、液氦、液氨、液化二氧化碳、液化甲烷、液化乙烷、液化丙烷、液化正丁烷、液化异丁烷、甲醇、乙醇、乙醚和丙酮中的一种以上。
7.根据权利要求1所述的一种纳米片的制备方法，其特征在于，所述完全浸没是指液体液面高度大于等于层状材料的高度。
8.根据权利要求1所述的一种纳米片的制备方法，其特征在于，所述纳米片的厚度为0.5～50nm。
9.根据权利要求1所述的一种纳米片的制备方法，其特征在于，所述纳米片的产率为15～30％。
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