[发明专利]一种石墨烯纳米棒的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，具体涉及到一种石墨烯纳米棒的制备方法。 

背景技术

石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp²杂化碳的基本单元，具有轻质高强、高比表面积、高导电性、高机械性能、高载流子迁移率及高透光性等优势。自2004年英国曼切斯特大学物理和天文学系的Geim和Novoselov采用胶带反复剥离高定向热解石墨烯，得到稳定存在的石墨烯，该发现引起了学界的广泛关注，目前，石墨烯在能源、环境、传感和生物等领域有着广泛的应用前景。 

目前，大量报道表明：合成低维的碳纳米结构通过气相法或者化学气相沉积是一种有效的方式。然而，运用湿化学法制备石墨烯的过程可控，可制得不同碳纳米结构，更具有前瞻性优势。其中由一种自下而上的湿化学合成路线制备低维的纳米结构具有重大的意义，其化学设计需要多环芳烃的组合，并由一定的脱水形成折叠或者卷曲而组装成新型的碳纳米结构。在2002年，由Scott组通过13步纯有机的方式制得富勒烯；在2008年，Otego组利用了表面催化剂处理等相对简化的方式得到了相对纯度高的富勒烯。这也说明以湿化学法制备零维及一维的碳材料是一个新的方法。在2009年新加坡国立大学Loh将二维石墨烯通过超声氧化法打碎成多环芳烃（PAHs），然后脱水组装成零维的富勒烯以及一维的碳纳米管，而Tour课题组将一维的碳纳米管通过KMnO₄/H₂SO₄将切割成一维的具有量子限域效应的石墨烯纳米带。 

关于湿化学法制备新型的碳纳米结构鲜有报道，本发明主要运用强氧化的方式将二维碳结构的石墨烯打碎成具有量子限域效应的石墨烯量子点、石墨烯纳米片，通过加入还原剂或高温退火方式在高温下能自组装成石墨烯纳米棒。运用这种方法制备的新型碳纳米结构在超级电容、锂电池、场效应晶体管、OLED和OPV的电子传输层材料、相互调控颜色智能窗以及透明电极等方面具有潜在的应用价值。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯纳米棒的制备方法，其技术方案包括以下步骤： 

1. 氧化石墨烯的制备

采用Hummers法将碳原料制备为氧化石墨烯（GO）。

2.石墨烯量子点、石墨烯纳米片的制备 

在烧杯中加入一定量的氧化石墨，加入相对于氧化石墨用量100-1200 wt%的浓硫酸，在冰浴条件缓慢加入相对于浓硫酸用量30-80 wt%的高锰酸钾。然后转移到40-100 ℃的条件下反应2-8小时，待高锰酸钾反应完全，加入一定量的去离子水稀释溶液，离心去除里面的部分杂质，再加入5-8 M 的NaOH将溶液pH调至6-7，通过微孔滤膜过滤得到浅黄色的透明溶液，将透明溶液溶于体积比为3:1-10:1的乙醚/乙醇混合液中，形成絮状物，最后将得到的溶液在截止分子量为3000-13500 Da的透析袋中透析。通过旋蒸除去水，得到石墨烯量子点、石墨烯纳米片。或者向GO溶液中加入一定量体积比为3:1-7:1的H₂SO₄/HNO₃溶液，在200-600W功率的微波反应器中回流4-10小时，然后超声反应6-18小时，之后在碱性条件下，通过0.22微米的微孔滤膜过滤后透析得到石墨烯量子点、石墨烯纳米片。

3.石墨烯纳米棒的制备 

在烧杯中加入一定量的步骤2中制备的石墨烯量子点、石墨烯纳米片，然后加入相对于其质量80-600 wt %的还原剂，在60-200℃条件下反应6-36小时；或者将石墨烯量子点、石墨烯纳米片在300-800℃的温度条件下进行高温还原0.5-4小时，然后通过离心，透析得到了石墨烯纳米棒。

所述的碳原料为天然石墨粉、人工合成石墨粉、高温热解石墨粉或可膨胀石墨、石墨烯。 

所述的微孔滤膜为聚四氟乙烯过滤膜、聚碳酸酯过滤膜、硝酸纤维素过滤膜、聚偏氟乙烯过滤膜、醋酸纤维素过滤膜、再生纤维素过滤膜、聚酰胺过滤膜中的任意一种。 

所述的还原剂为水合肼、硼氢化钠、氢碘酸、苯肼中的任意一种或多种的混合物。 

本发明提供的一种石墨烯纳米棒的制备方法具有下述特征和优点： 

（1）碳原料廉价易得，且石墨烯纳米棒是依靠石墨烯纳米材料自组装形成，合成工艺简单易行；

（2）制备得石墨烯纳米棒为一维结构，其在场效应晶体管，微型超级电容器、超级电容器、透明电极、太阳能电池、OLEDs等方面具有重要的应用前景。