[发明专利]一种石墨烯纳米带制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米功能材料技术领域，具体涉及一种石墨烯纳米带的制备方法。

背景技术

石墨烯纳米带(GNR)是具有一定宽度、无限长度、沿横向为有限尺寸的准一维带状石墨烯。石墨烯纳米带不仅具有石墨烯的导电性好、纤薄、坚硬等优良性能，同时，由于有限尺寸的石墨烯纳米带中的电子在横向上受限，电子被迫纵向移动，其具有半导体的性能。因此，纳米带可应用于广泛应用于超级电容器、锂离子电池、太阳能电池等新能源器件，也可适用于催化剂载体、信息材料等领域等等。

现有的石墨烯纳米带的制备方法，如申请号为CN201410596634.8“一种垂直石墨烯纳米带、制备与在制备超级电容器中的应用”专利，公开方法是：先在硅片上垂直生长单壁碳纳米管，然后再将单壁碳纳米管展开。具体实施步骤包括：(1)在衬底上制备碳纳米管阵列；(2)在CH₄/H₂气氛中退火切割碳纳米管，温度保持在700℃～800℃。该方法的主要缺点是：工艺相对复杂，实验中前期碳纳米管阵列的生长直接影响着后续石墨烯纳米带的质量，存在较大随机性和不确定性因素；在CH₄/H₂气氛且温度保持在700℃～800℃退火，对于设备的要求较高，生产成本和能耗过高，且存在一定不安全因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯纳米带的制备方法。该方法具有工艺简单、操作方便，生产成本低、对实验设备要求不高，适于规模化生产等优点。

实现本发明目的的技术方案是：以碳纳米管为原料，经还原氧化法切割后，超声分散、离心分离和干燥而得到产品。

具体制备方法如下：

1)还原法切割碳纳米管

以碳纳米管为原料，在高纯惰性气氛的保护下，按照二甲醚衍生物有机溶剂与碳纳米管的体积质量比称取一定质量的碳纳米管加入到有机溶剂中，再按照碳纳米管与钠钾液态合金的质量体积比量取一定量的钠钾液态合金加入上述混合物中，室温搅拌1～5天，就制得混合物1，然后将混合物1进行抽滤，收集固体残余物，然后分别使用清洗液按照固体残余物与清洗液的质量体积比依次对固体残余物清洗1～3次。

2)氧化法处理切割的碳纳米管

按照固体残余物与氧化性酸的质量体积比，称取一定量的固体残余物加入到氧化性酸中搅拌1-24h，按照氧化剂与固体残余物质量配比加入氧化剂室温搅拌1-5h得到混合物2，然后将混合物2在60-90℃下恒温搅拌1-5h，然后采用双氧水除去多余的氧化剂，再用盐酸清洗除掉由氧化剂所产生的金属氧化物，最后用去离子水反复清洗固体残余物直至滤液呈中性，制得悬浮液状石墨烯纳米带。

3)干燥

将石墨烯纳米带悬浮液，经超声分散后，进行冷冻或恒温鼓风干燥得到固体粉末即为粉末状石墨烯纳米带。

其中，第(1)步中所述二甲醚衍生物有机溶剂与碳纳米管的体积质量比为500～3000ml∶1g，碳纳米管与钠钾液态合金的质量体积比为1g∶2～10ml，所述钠钾液态合金中钠钾的质量比例为1g∶2～10g。

第(1)步中所述的有机溶剂为乙二醇二甲醚或二乙二醇二甲醚或三乙二醇二甲醚或乙二醇单甲醚等二甲醚衍生物。

第(1)步中高纯惰性气氛为高纯氮气或氦气或氩气或氙气或氡气。

第(1)步中所述的清洗液依次为四氢呋喃、异丙醇、去离子水，所述固体残余物与清洗液的质量体积比为1g∶100～300ml。

第(2)步中所述的固体残余物质量∶所述氧化剂质量∶所述氧化性酸体积之比为1g∶1～10g∶100～2000ml。

第(2)步中所述的氧化性酸为浓硫酸或浓硝酸或稀硝酸或亚硝酸或卤族含氧酸。

第(2)步所述的氧化剂为高锰酸钾或重铬酸钾。

第(2)步中超声波的功率为30～100W，频率为50～1000Hz。

第(3)步中石墨烯纳米带悬浮液浓为0.1～0.6mg/ml。

第(3)步冷冻干燥温度为-30～-80℃，干燥时间为12～24h，真空度为1～20Pa，恒温鼓风干燥温度为60～150℃，干燥时间为2～24h。

所述的碳纳米管为单壁或双壁或多壁碳米管，直径2～100nm，长度1～50μm，含碳量≥95％。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：

1本发明操作简单，无需高温和特殊气氛焙烧，对仪器设备要求低，能耗低，生产工艺安全可靠，易实现规模化生产；