[发明专利]一种石墨烯纳米带的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新材料合成领域，特别是涉及一种石墨烯纳米带的制备方法。

背景技术

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体。由于其独特的结构和光电性质使其成为碳材料、纳米技术、凝聚态物理和功能材料等领域的研究热点，吸引了诸多科技工作者。单层石墨烯拥有优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，并且其理论比表面积高达2630m²/g（A Peigney,Ch Laurent,et al.Carbon,2001,39,507），可用于效应晶体管、电极材料、复合材料、液晶显示材料、传感器等。而石墨烯纳米带不仅拥有石墨烯的性能，还具备一些特殊的性能，例如其长径比比较大，可高达上千倍，在集成电路方面可代替铜导线，进一步提高集成度，亦可对其结构进行改性制备成开关器件。但目前由于石墨烯纳米带制备过程中尺寸控制困难，产量低，从而限制了其应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种石墨烯纳米带的制备方法，该方法能够以碳纳米管为原料，通过腐蚀与机械切割相结合的方法制得结构完整、性能良好的石墨烯纳米带。

本发明提供的石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：

（1）取碳纳米管，按与所述碳纳米管的质量为0.01～0.05L/g的比例加入强酸混合液，在120～140℃中回流4～8小时，取出所述碳纳米管，去离子水清洗过滤至溶液中性；

（2）将所述碳纳米管置于容器中，按所述碳纳米管与去离子水质量比为1：20～100的比例加入所述去离子水，加热至80～100℃，置于超声粉碎机中超声0.5～2小时；

（3）将超声后的所述碳纳米管依次用去离子水、乙醇清洗过滤，烘干，得到石墨烯纳米带。

步骤（1）的目的在对碳纳米管进行酸腐蚀，腐蚀过程中，碳纳米管表面的缺陷部位得到优先腐蚀，因而使得缺陷部位出现宏观缺口，以利于后续的超声切割操作的进行。

优选地，步骤（1）中碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

优选地，步骤（1）中强酸混合液由硝酸、硫酸和盐酸中的两种或两种以上混合制备得到。

更优选地，步骤（1）中强酸混合液由硝酸和硫酸按体积比为1：0.5～5混合制备得到。

优选地，步骤（1）中硝酸的质量浓度为65%~68%，硫酸的质量浓度为98%。

优选地，步骤（1）中对首次过滤的滤液进行回收。

回收的滤液可供再次使用，可减少对环境造成的污染，同时降低生产成本。

步骤（2）为将经步骤（1）腐蚀过的碳纳米管置于超声粉碎机中进行超声切割，得到石墨烯纳米带的过程。此处的超声切割是一种物理切割，由于碳纳米管表面被酸腐蚀，表面出现很多宏观缺口，因而在大功率的超声粉碎机中，在这些缺口处，可被顺利超声切割成具有均匀尺寸的石墨烯纳米带。超声粉碎机工作过程中，超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，超声波在介质中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力的瞬间高压，连续不断产生的瞬间高压,就像一连串小爆炸一样不断冲击碳纳米管表面，腐蚀处很容易发生开裂，从而被顺利超声切割成石墨烯纳米带。超声粉碎机的功率大，能提供更大的能量，更容易达到切割的目的。

步骤（2）中容器为不锈钢杯或塑料杯。

此处所使用的容器为不易碎的材质，便于超声操作。

优选地，步骤（2）中所述超声粉碎机的功率大于等于400w。

超声操作过程的功率太小，将不能实现碳纳米管的顺利切割。

经超声切割所得的石墨烯纳米带均匀分散于容器中。由于超声切割属于物理切割，仅对切口处产生一些破坏，其它部分不会受到破坏，超声功率大，能将碳纳米管较好的切割，所得石墨烯纳米带结构完整，性能良好，本发明方法得到的石墨烯纳米带宽度为80～100nm，长径比为20~30。

步骤（3）的目的在于将经超声切割所得的石墨烯纳米带进行清洗烘干，得到所需要的石墨烯纳米带。

优选地，烘干操作为在60℃真空干燥箱中干燥4～10小时。