一种石墨烯纳米带的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及石墨稀纳米带的制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨稀(Graphene)是指具有一个碳原子厚度的石墨，C-C之间由sp2共价键链接呈六边形网状层面，分解可以变成零维的富勒烯，卷曲可以形成一维的碳纳米管，叠加可以形成三维的石墨。为了赋予单层石墨烯某种电性，会按照特定样式切割石墨烯，形成石墨烯纳米带(Graphene nanoribbon)。根据石墨稀纳米带边缘的不同，石墨稀纳米带可以分为扶手椅型和Z型两种，其中Z型纳米带为导体，而扶手椅型纳米带为半导体。石墨烯纳米带的结构具有高电导率、高热导率、低噪声，这些优良品质促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的另一种选择，有可能替代铜金属。
[0003]现有的石墨烯纳米带的制备方法，通常是利用金属纳米颗粒在退火过程中会沿择优方向刻蚀石墨烯，在所述石墨烯形状边界限域作用下，金属纳米颗粒呈“之”字形轨迹刻蚀，从而形成石墨烯纳米带及其阵列。具体实施步骤包括:(I)在衬底上制备石墨烯；(2)在石墨烯边沿固定金属颗粒；(3)在Ar2/H2气氛中退火，温度保持在700°C?1000°C。该方法的主要缺点是:工艺相对复杂，实验中前期石墨烯的制备以及金属颗粒的制备的好坏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4^/!12气氛且温度保持在700°C?1000°C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】
[0004]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。
[0005]为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0006]I)碳纳米管的分散:
[0007]将碳纳米管分散于浓硫酸中，获得碳纳米管浓度为1.0?5.0g/L的碳纳米管分散液A ；
[0008]2)臭氧氧化:
[0009]向步骤I)得到的碳纳米管分散液A中持续通入臭氧I?2h，并不断搅拌，得到混合溶液B ;
[0010]3)超声分散:
[0011]将步骤2)中所得混合溶液B在超声波输出频率为10Hz?5MHz下，进行超声分散30?60min，得到混合液C ；
[0012]4)离心分离:
[0013]采用离心分离的方法，从步骤3)得到的混合液C中分离出固体沉降物；
[0014]5)冷冻干燥:
[0015]向步骤4)收集的沉降物中加入去离子水，得到混合液D，将混合液D进行冷冻干燥得到固体粉末即为石墨烯纳米带。
[0016]进一步，步骤I)中，所述的碳纳米管是单壁、双壁或者是多壁的碳纳米管。
[0017]进一步，步骤2)中，所述的臭氧浓度为60?100%，气体流速为:0.1?5.0m3/h。
[0018]进一步，步骤4)中，混合液C，在转速为4000?1000rpm下离心30?60min，进行固液分离，收集沉降物。
[0019]进一步，步骤5)中，所述沉降物和离子水混合后，经超声分散得到混合液D，混合液D中，所述沉降物的浓度为1.0?5.0g/L。
[0020]本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果:
[0021](I)本发明方法制备出石墨烯纳米带的尺寸可以通过选用不同管径的碳纳米管可实现石墨烯纳米带尺寸的有效调节，本产品具有高导电性、高导热性、高电磁波吸收性等性會K ;
[0022](2)本发明方法只采用机械搅拌、臭氧氧化、超声分散和离心分离等，过程简单，无需高温退火，生产能耗低；
[0023](3)本发明工艺简单，操作方便，生产设备少，从而进一步降低生产成本，便于实际推广应用，适于规模化生产。
【附图说明】
[0024]图1为扫描电子显微镜下的多壁碳纳米管原料；
[0025]图2为扫描电子显微镜下的石墨烯纳米带(本专利方法制备得到的);
[0026]图3为纵向剪切打开图2中的石墨烯纳米带的电镜图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0028]实施例1:
[0029]I)碳纳米管的分散:
[0030]将单壁碳纳米管分散于浓度为98%的浓硫酸中，获得碳纳米管浓度为1.0g/L的碳纳米管分散液A ;
[0031]2)臭氧氧化:
[0032]向步骤I)得到的碳纳米管分散液A中持续通入臭氧lh，并不断搅拌，得到混合溶液B ;臭氧浓度为100%，流速为:0.lm3/h。
[0033]3)超声分散:
[0034]将步骤2)中所得混合溶液B在超声波输出频率为5MHz下，进行超声分散30min，得到混合液C ;
[0035]4)离心分离:
[0036]采用离心分离的方法，从步骤3)得到的混合液C中分离出固体沉降物；即将混合液C在转速为1000rpm下离心3min，进行固液分离，收集沉降物。
[0037]5)冷冻干燥:
[0038]取步骤4)收集沉降物10mg，加入去离子水10mL，超声分散，得到混合液D，将混合液D进行冷冻干燥，得到固体粉末即为石墨烯纳米带。
[0039]实施例2:
[0040]I)碳纳米管的分散:
[0041]将多壁碳纳米管(参见图1)分散于浓度为98%的浓硫酸中，获得碳纳米管浓度为5.0g/L的碳纳米管分散液A ;
[0042]2)臭氧氧化:
[0043]向步骤I)得到的碳纳米管分散液A中持续通入臭氧2h，并不断搅拌，得到混合溶液B ;臭氧浓度为60%，流速为:5.0m3/h。
[0044]3)超声分散:
[0045]将步骤2)中所得混合溶液B在超声波输出频率为5MHz下，进行超声分散60min，得到混合液C ;
[0046]4)离心分离:
[0047]采用离心分离的方法，从步骤3)得到的混合液C中分离出固体沉降物；即将混合液C在转速为4000rpm下离心30min，进行固液分离，收集沉降物。
[0048]5)冷冻干燥:
[0049]取步骤4)收集沉降物150mg，加入去离子水30mL，超声分散，得到混合液D，将混合液D进行冷冻干燥，得到固体粉末即为石墨烯纳米带。该石墨烯纳米带的电镜图参见图2。另外，图3是多壁碳纳米管从纵向进行剪切打开而得到的。
[0050]实施例3:
[0051]I)碳纳米管的分散:
[0052]将双壁碳纳米管分散于浓度为98%的浓硫酸中，获得碳纳米管浓度为3.0g/L的碳纳米管分散液A ;
[0053]2)臭氧氧化:
[0054]向步骤I)得到的碳纳米管分散液A中持续通入臭氧2h，并不断搅拌，得到混合溶液B ;臭氧浓度为80%，流速为:3m3/h。
[0055]3)超声分散:
[0056]将步骤2)中所得混合溶液B在超声波输出频率为10Hz下，进行超声分散60min，得到混合液C ;
[0057]4)离心分离:
[0058]采用离心分离的方法，从步骤3)得到的混合液C中分离出固体沉降物；即将混合液C在转速为1000rpm下离心15min，进行固液分离，收集沉降物。
[0059]5)冷冻干燥:
[0060]取步骤4)收集沉降物30mg，加入去离子水15mL，超声分散，得到混合液D，将混合液D进行冷冻干燥，得到固体粉末即为石墨烯纳米带。
【主权项】
1.一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)碳纳米管的分散: 将碳纳米管分散于浓硫酸中，获得碳纳米管浓度为1.0?5.0g/L的碳纳米管分散液A； 2)臭氧氧化: 向步骤I)得到的碳纳米管分散液A中持续通入臭氧I?2h，并不断搅拌，得到混合溶液B ； 3)超声分散: 将步骤2)中所得混合溶液B在超声波输出频率为10Hz?5MHz下，进行超声分散30?60min，得到混合液C ； 4)离心分离: 采用离心分离的方法，从步骤3)得到的混合液C中分离出固体沉降物； 5)冷冻干燥: 向步骤4)收集的沉降物中加入去离子水，得到混合液D，将混合液D进行冷冻干燥得到固体粉末即为石墨烯纳米带。2.根据权利要求1所述的一种石墨稀纳米带的制备方法，其特征在于: 步骤I)中，所述的碳纳米管是单壁、双壁或者多壁的碳纳米管。 步骤2)中，所述的臭氧浓度为60?100%，气体流速为:0.1?5.0m3/h。 步骤4)中，混合液C，在转速为4000?1000rpm下离心10?30min，进行固液分离，收集沉降物。 步骤5)中，所述沉降物和去离子水混合后，经超声分散得到混合液D，混合液D中，所述沉降物的浓度为1.0?5.0g/L。
【专利摘要】本发明提供了一种石墨烯纳米带的制备方法，以碳纳米管为原料，将臭氧持续通入碳纳米管的硫酸分散液中，经超声分散、离心分离和冷冻干燥，制备得到石墨烯纳米带。本发明方法简单、操作方便、生产成本低，能够降低生产能耗，便于生产实际推广应用。采用本发明方法制备出的石墨烯纳米带结构完整，电导率高，通过选用不同管径的碳纳米管可实现石墨烯纳米带尺寸的有效调节。
【IPC分类】B82Y30/00, C01B31/04, B82Y40/00
【公开号】CN105129781
【申请号】CN201510491338
【发明人】李新禄, 钟奇能, 粟泽龙
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月10日