[发明专利]通过超临界流体高效制备掺杂石墨烯的方法

说明书

本发明公开一种通过超临界流体高效制备掺杂石墨烯的方法，包括有如下步骤：氧化石墨烯的制备、微射流处理、低温处理、掺杂石墨烯的制备。在插层剂的作用下，活性掺杂元素化合物侵入石墨层间，并在层间与碳原子键合，再配合利用微射流处理的高速剪切作用，可将石墨有效剪切破碎，超临界流体的插层作用可有效扩大层间距，胶束转换机制可有效将表层石墨剥离实现了高效率的石墨烯制备，并且，通过调节微射流处理的压力，有效调整所得石墨烯片层的尺寸分布，改变超临界流体处理压力，通过流体的插层作用和反胶束转换机制可调整石墨烯的层数，且将低温石墨浆料快速喷入到高温环境中，石墨颗粒层间将发生微爆裂，为后续的分子插层提供了有利的突破口。

技术领域

本发明涉及石墨烯领域技术，尤其是指一种通过超临界流体高效制备掺杂石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。因此，石墨烯的制备方法一直是人们关注的热点问题，目前主要的合成方法有机械剥离法、外延生长法、化学气相沉底及液相氧化还原法等。前三种方案虽然可以制得高质量的石墨烯，但是设备投入较大，成本较高；而液相氧化还原法虽然成本较低，并且，超临界流体一种清洁、无污染、价格低廉且来源丰富的高效分散介质，所以，在工业生产中普遍通过液相氧化还原法制备石墨烯。

然而，由于石墨烯是带隙为零的良导体，我们便不能有效地调控它的电学特性，从而不能将它广泛运用在电子器件之中。因此，我们需要采取特殊手段来调整石墨烯的带隙，使之具备半导体特性，然而，其中最有效的方法之一便是向石墨烯中掺入杂质原子。向石墨烯中掺如杂质原子时，需要对石墨烯进行剥离，但是，传统的剥离方法往往制备效率低，并且制备出来的石墨烯产品品质参差不齐，层数以及尺寸难以控制。因此，有必要提出一种新的方法对现有的通过超临界流体制备掺杂石墨烯的方法进行改进。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种通过超临界流体高效制备掺杂石墨烯的方法，其制备效率高，并且在制备过程中可以通过调节微射流处理的压力和超临界流体的压力对石墨烯片层的尺寸分布和石墨烯的层数进行调整。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种通过超临界流体高效制备掺杂石墨烯的方法，包括有如下步骤：

(1)热还原的膨胀石墨的制备

将石墨和插层剂加入强氧化酸和硝酸盐的混合物中，混合均匀后，加入含钾强氧化剂，将体系升温至45-60℃，并继续搅拌4-12h，随后缓慢加入一定量的水，将反应体系升温至85-95℃并保持30-60min，再添加水和一定量的双氧水，过氧化氢水溶液的浓度为3％，直至消失冒泡，充分搅拌反应后，用稀酸溶液和去离子水反复清洗，去除体系中的各种离子，然后通过真空干燥收集固体，再将收集到的转入石英管中，抽去石英管中的空气，之后缓缓通入氩气，保持氩气流通2min；之后将石英管放入预热到1050℃的管式炉中并放置30s，便可以得到热还原的膨胀石墨；

(2)微射流处理

将步骤(1)得到的热还原的膨胀石墨与表面活性剂、水和乙醇混合，得到原料混合液，并将原料混合液进行微射流处理，微射流处理的压力为100-200MPa，次数为20-100次，得到物料；

(3)低温处理

将步骤(2)得到的物料与活性掺杂元素化合物初混后转移到低温容器中并降温至-30-0℃，得到低温的石墨浆料；

(4)掺杂石墨烯的制备