[发明专利]一种由碳纳米管制备高质量石墨烯纳米片的方法

说明书

本发明公开了一种由碳纳米管制备高质量石墨烯纳米片的方法。本发明以鱼骨状多壁碳纳米管为原料，基于其碳层端头都暴露在外侧的结构特征，通过两步离子插层剥离过程，制备出石墨烯纳米片。采用本发明制备技术，避免了由碳纳米管制备石墨烯过程中强氧化剂的引入，既不会直接破坏碳纳米管上的碳碳键，也不会在碳层内引入氧基团缺陷，因此能够获得高质量的石墨烯纳米片。制备的石墨烯纳米片纯度高，尺寸和层数均匀，并且富含大量褶皱，在能量储存和转换、传感、催化剂载体等方面具有很好的应用潜力。同时，本发明提供的石墨烯制备方法新颖、简便高效、成本低廉、绿色环保，适用于规模化生产和应用。

技术领域

本发明涉及一种由碳纳米管制备高质量石墨烯纳米片的方法，属于碳纳米材料制备领域，是由碳纳米管制备的石墨烯材料。

背景技术

石墨烯（Graphene）是继富勒烯和碳纳米管之后，又一类新型的碳纳米材料。自2004年被发现以来，以其优异的力学、电学、热学、光学等物理化学性质而备受人们关注，在离子电池、超级电容器、太阳能电池、传感器、复合材料等领域都显示出重要应用潜力。石墨烯和碳纳米管都是由碳六元环组成的石墨层构成，因而在结构和性能上有许多相似之处。由于两者具有相同的基本结构单元，因而可以认为碳纳米管是由二维石墨烯纳米片卷曲而成的一维空心管，也可以认为石墨烯是由碳纳米管裁剪展开获得的。从碳纳米管到石墨烯，意味着更多的碳层表面被暴露出来，使碳层获得了更大的比表面积，这非常有利于纳米碳材料在储能、传感等功能性应用。

近年来，通过碳纳米管制备石墨烯纳米带的研究引起国内外的广泛关注。人们采用氧化切割、等离子体或激光刻蚀等方法拉链式切割碳纳米管，制备石墨烯纳米带。但是，这些物理化学方法都是通过强烈的物理化学作用，直接破坏碳管壁上的碳-碳键获得石墨烯纳米条带。由于作用位置和反应先后的不确定性，不能完全切割和定向切割碳纳米管，获得的石墨烯纳米带纯度和结构难以达到要求。另一方面，以往采用的都是规则的圆形碳纳米管，只能获得离散态的条带状石墨烯。最为关键的是，采用的氧化切割会在石墨烯纳米带边缘和表面引入大量的氧缺陷，极大地影响了其结构和电学性能；而等离子体或激光刻蚀需要将每根碳纳米管都预先半掩埋在基体中，对制备工艺要求非常苛刻，且价格昂贵，难以实现规模化制备。因此，由碳纳米管制备高质量石墨烯，并开发其规模化可控制备方法仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种由碳纳米管制备高质量石墨烯纳米片的方法，以解决现有技术存在的问题。

技术方案：

一种由碳纳米管制备高质量石墨烯纳米片的方法，是通过以下技术方案实现的，具体步骤包括：

(1) 将1重量份鱼骨状多壁碳纳米管浸渍于10～300重量份的双氧水或其它弱氧化性离子溶液中，在20～100℃温度下热处理1～24 h，收集产物用去离子水洗涤3～10次，得到初步插层剥离的碳纳米管；

(2) 将1重量份步骤1中所得的产物浸渍于10～300重量份的氯化氢或其它无氧酸的离子溶液中，在20～100℃温度下热处理1～24h，用去离子水和乙醇洗涤产物至洗涤液呈中性，20～80℃烘箱中干燥1～24h，得到石墨烯纳米片

所述步骤1中的鱼骨状多壁碳纳米管是采用化学气相沉积法制备的。

所述步骤1中的鱼骨状多壁碳纳米管可以是粉末状的、宏观纤维状或宏观海绵状的。

所述步骤1中的鱼骨状多壁碳纳米管的管壁层数为3～300层，管外径直径为5～300 nm，管腔内径为0-290nm，管壁与碳纳米管轴向的角度为1～90°，管壁长度为3～999nm。

所述步骤1中的预插层剥离所用的弱氧化性溶液，可以是双氧水、次氯酸钠和次氯酸钙的水或乙醇溶液。