專利名稱：一種水蒸氣刻蝕碳納米管制備石墨烯納米帶的方法
技術領域：
本發明屬于石墨烯制備領域，具體涉及ー種水蒸氣刻蝕碳納米管制備石墨烯納米帶的方法，是ー種過程簡単、綠色環保的制備方法。
背景技術：
石墨烯納米帶是ー種具體有獨特電子性能的ー種新型材料。近幾年，石墨烯引起了人們的廣泛的關注，它的奇特的物理化學性質激起了人們的極大的興趣。石墨烯納米帶作為石墨烯材料中的ー種，由于它具有光滑的邊緣、較小的寬度、較寬的能帶隙使其在場效應晶體管中有著巨大的應用。近些年報道的制備石墨烯納米帶的方法有很多，比如氧化還原法、超聲法、裂解碳管法等。其中裂解碳管法由于其可以控制石墨烯納米帶的寬度和層數，在眾多方法中脫穎而出。裂解碳管法主要是用ー些氧化劑去刻蝕碳納米管，使其產生缺陷從而使碳管裂解開，形成石墨烯納米帯。比如有采用高溫煅燒然后借助ー些表面活性劑(PmPV)在有機溶劑(1,2-ニ氯こ燒)中超聲,得到石墨烯納米帶。但是該方法需要高溫，步驟繁瑣，所采用的表面活性劑(PmPV)有毒。也有人采用強氧化劑如金屬鈉、鉀等來刻蝕碳管而得到石墨烯納米帯。但合成的石墨烯納米帶質量不高而且產率很低。本發明采用水蒸氣刻蝕碳納米管并裂解獲得石墨烯納米帶，具有步驟簡單、條件溫和、產率高、無須采用有毒試劑、制備的石墨烯納米帶質量好等優點。
發明內容
本發明的目的在于提供一種水蒸氣刻蝕碳納米管制備石墨烯納米帶的方法，采用本發明制備的石墨烯納米帶具有褶皺少、不易團聚、層數可控、產率高等優點，同時制備過程簡單易操作，可以ー步完成，無須采用表面活性劑進行分散，過程無污染，緑色環保，解決了一般制備方法中存在的過程繁瑣、污染嚴重、產率低、石墨烯褶皺多等缺點。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案
一種水蒸氣刻蝕碳納米管制備石墨烯納米帶的方法是，將多壁碳納米管放入聚四氟こ烯內襯中，并加入一定量的蒸餾水，振蕩使碳納米管分散均勻，然后將聚四氟こ烯內襯放入反應釜中，加熱到150-225°C，恒溫5h-20h，使多壁碳納米管從縱向裂解開，形成高質量的石墨烯納米帶。所述的多壁碳納米管原料為單質C，原料多壁碳納米管的質量分數大于95%。所加入的碳納米管的質量與聚四氟こ烯內襯的體積比胃/Vw為0.025g-0. 10g/100mL。所加入蒸餾水的體積與聚四氟こ烯內襯的體積比￥*八襯為0. 5-2:100。 本發明的水蒸氣刻蝕法除了具有可以大批量制備、邊緣光滑、納米帶質量好等優點外，還具有如下幾種獨特的優點1)能夠ー步合成制備出尺寸小的石墨烯納米帶，方法簡便、成本低、產率高；2)制備過程中無有害物質，緑色環保；3)制備的石墨烯納米帶層數可控，可采用不同層數的碳納米管制備相應層數的石墨烯帶。
圖Ia是實施例I的石墨烯納米帶的掃描電鏡圖；圖Ib是實施例I的石墨烯納米帶的透射電鏡圖。圖2a是實施例2的石墨烯納米帶的掃描電鏡圖；圖2b是實施例2的石墨烯納米帶的透射電鏡圖。圖3a是實施例3的石墨烯納米帶的掃描電鏡圖；圖3b是實施例3的石墨烯納米帶的透射電鏡圖。 圖4a是實施例4的石墨烯納米帶的掃描電鏡圖；圖4b是實施例4的石墨烯納米帶的透射電鏡圖；圖5和圖6是實施例4的石墨烯納米帶的原子力顯微鏡圖。圖7a是實施例5的石墨烯納米帶的掃描電鏡圖；圖7b是實施例5的石墨烯納米帶的透射電鏡圖；圖8和9是實施例5的石墨烯納米帶的原子力顯微鏡圖。圖IOa是實施例6的石墨烯納米帶的掃描電鏡圖；圖IOb是實施例6的石墨烯納米帶的透射電鏡圖；圖11和圖12是實施例6的石墨烯納米帶的原子力顯微鏡圖。
具體實施例方式本發明可以具體實施如下
將多壁碳納米管和適量蒸餾水加入到聚四氟こ烯內襯中，放入反應釜中，將反應釜置于150 225°C下恒溫加熱5 20小時。所述的多壁碳納米管原料為單質C，原料多壁碳納米管的質量分數大于95%。所加入的原料碳納米管的質量與聚四氟こ烯內襯的體積比m納米管/~為0. 025g-0. 10g/100mL,所加入蒸餾水的體積與聚四氟こ烯內襯的體積比Vボ八襯為0. 5%-2%。需要指出的是，在用水蒸氣刻蝕碳納米管時，不僅可以刻蝕多壁碳納米管，也可以根據要求選擇一定層數的碳納米管進行刻蝕而得到相應層數的石墨烯納米帯。因此，通過本發明方法不僅可以制備多層的石墨烯納米帯，還可以制備單層、雙層、三層等的石墨烯納米帯，以便擴大實際的應用范圍。為了更詳細的說明本發明，下面列舉了不同碳納米管的量、加入蒸餾水的量、加熱溫度以及刻蝕時間等反應條件下制備石墨烯的具體實施例子。實施例I
將0. Olg的直徑為8-15nm的多壁碳納米管放入容積為20mL的聚四氟こ烯內襯底部，向里面加入IOOy L的蒸餾水，振蕩使納米管鋪勻，然后將內襯封閉裝入不銹鋼反應釜中。將反應釜放入鼓風干燥箱中，將溫度設置為200°C，恒溫反應5h。反應完后將樣品取出，置于紅外燈下烘干，待水分蒸發完全后即可得到石墨烯納米帯。采用掃描電鏡對樣品進行分析，結果如圖Ia所示。從圖Ia可以看到多壁碳納米管有小部分裂解形成石墨烯納米帶，其中暗色的部分為碳納米管被水蒸氣刻蝕開而形成的石墨烯納米帶，亮色的部分為原始碳納米管。采用透射電鏡觀察，結果如圖Ib所示。從圖Ib可以觀察到石墨烯納米帶邊緣平滑，測量得到其寬度在IOnm左右。實施例2
將0. 02g的直徑為8-15nm的多壁碳納米管放入容積為20mL的聚四氟こ烯內襯底部，向里面加入200 y L的蒸餾水，振蕩使納米管鋪勻，然后將內襯封閉裝入不銹鋼反應釜中。將反應釜放入鼓風干燥箱中，將溫度設置為225°C，恒溫反應10h。反應完后將樣品取出，置于紅外燈下烘干，待水分蒸發完全后即可得到石墨烯納米帯。采用掃描電鏡對樣品進行分析，結果如圖2a所示。從圖2a可以看到多壁碳納米管有部分裂解形成石墨烯納米帶，其中暗色的部分為碳納米管被水蒸氣刻蝕開而形成的石墨烯納米帶，亮色的部分為原始碳納米管。采用透射電鏡觀察，結果如圖2b所示。從圖2b可以觀察到石墨烯納米帶邊緣平滑，測量得到其寬度在9-15nm之間。實施例3
將0. 005g的直徑為8-15nm的多壁碳納米管放入容積為20mL的聚四氟こ烯內襯底部，向里面加入200y L的蒸餾水，振蕩使納米管鋪勻，然后將內襯封閉裝入不銹鋼反應釜中。將反應釜放入鼓風干燥箱中，將溫度設置為150°C，恒溫反應10h。反應完后將樣品取出，置于紅外燈下烘干，待水分蒸發完全后即可得到石墨烯納米帯。采用掃描電鏡對樣品進行分析，結果如圖3a所示。從圖3a可以看到多壁碳納米管有部分裂解形成石墨烯納米帶，其中暗色的部分為碳納米管被水蒸氣刻蝕開而形成的石墨烯納米帶，亮色的部分為原始碳納米管。采用透射電鏡觀察，結果如圖3b所示。從圖3b可以觀察到石墨烯納米帶邊緣平滑，測量得到其寬度在9-14nm之間。實施例4
將0. 005g的直徑為8-15nm的多壁碳納米管放入容積為20mL的聚四氟こ烯內襯底部，向里面加入200y L的蒸餾水，振蕩使納米管鋪勻，然后將內襯封閉裝入不銹鋼反應釜中。將反應釜放入鼓風干燥箱中，將溫度設置為200°C，恒溫反應15h。反應完后將樣品取出，置于紅外燈下烘干，待水分蒸發完全后即可得到石墨烯納米帯。采用掃描電鏡對樣品進行分析，結果如圖4a所示。從圖4a可以看到多壁碳納米管基本全部裂解形成石墨烯納米帯。采用透射電鏡觀察，結果如圖4b所示。從圖4b可以石墨烯納米帶邊緣平滑，測量得到其寬度在9-13nm之間。采用原子力顯微鏡觀察，結果如圖5和圖6所示。從圖5可以測量得到石墨烯納米帶厚度分別為I. 86Inm和I. 866nm。圖6是對石墨烯納米帶進行縱向線掃結果，可得到石墨烯納米帶高度差僅為0. 143nm，說明碳納米管完全裂解成了石墨烯納米帶。實施例5
將0. 005g的直徑為8-15nm的多壁碳納米管放入容積為20mL的聚四氟こ烯內襯底部，向里面加入200y L的蒸餾水，振蕩使納米管鋪勻，然后將內襯封閉裝入不銹鋼反應釜中。將反應釜放入鼓風干燥箱中，將溫度設置為200°C，恒溫反應20h。反應完后將樣品取出，置于紅外燈下烘干，待水分蒸發完全后即可得到石墨烯納米帯。采用掃描電鏡對樣品進行分析，結果如圖7a所示。從圖7a可以看到多壁碳納米管基本完全裂解形成石墨烯納米帯。采用透射電鏡觀察，結果如圖7b所示。從圖7b可以石墨烯納米帶邊緣平滑，測量得到其寬度在8-20nm之間。采用原子力顯微鏡對樣品進行觀察，結果如圖8和圖9所示。從圖8可測量得到石墨烯納米帶厚度為I. 802nm，從圖9的縱向線掃結果可得到石墨烯納米帶高度差僅為0. lllnm，說明碳納米管完全裂解成了石墨烯納米帶。實施例6將O. Olg的直徑為8-15nm的多壁碳納米管放入容積為20mL的聚四氟こ烯內襯底部，向里面加入400μ L的蒸餾水，振蕩使納米管鋪勻，然后將內襯封閉裝入不銹鋼反應釜中。將反應釜放入鼓風干燥箱中，將溫度設置為200°C，恒溫反應10h。反應完后將樣品取出，置于紅外燈下烘干，待水分蒸發完全后即可得到石墨烯納米帯。采用掃描電鏡對樣品進行分析，結果如圖IOa所示。從圖IOa可以看到多壁碳納米管基本完全裂解形成石墨烯納米帯。采用透射電鏡觀察，結果如圖IOb所示。從圖IOb可以石墨烯納米帶邊緣平滑，測量得到其寬度在9-16nm之間。采用原子力顯微鏡對樣品進行觀察，結果如圖11和圖12所示。圖11表明石墨烯納米帶厚度為2. 214nm。從圖12的縱向線掃結果可得 到石墨烯納米帶高度差僅為O. 097nm，說明碳納米管完全裂解成了石墨烯納米帶。以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種水蒸氣刻蝕碳納米管制備石墨烯納米帶的方法，其特征在于將多壁碳納米管放入聚四氟こ烯內襯中，并加入蒸餾水，振蕩使碳納米管分散均勻，然后將聚四氟こ烯內襯放入反應釜中，加熱到150-225°C，恒溫5h-20h，使多壁碳納米管從縱向裂解開，形成高質量的石墨烯納米帯。
2.根據權利要求I所述的水蒸氣刻蝕碳納米管制備石墨烯納米帶的方法，其特征在于所述的多壁碳納米管原料為單質C，原料多壁碳納米管的質量分數大于95%。
3.根據權利要求I所述的水蒸氣刻蝕碳納米管制備石墨烯納米帶的方法，其特征在于所加入的碳納米管的質量與聚四氟こ烯內襯的體積比胃/Vw為0.025g-0. 10g/100mL。
4.根據權利要求I所述的水蒸氣刻蝕碳納米管制備石墨烯納米帶的方法，其特征在于所加入蒸餾水的體積與聚四氟こ烯內襯的體積比Vボ八襯為0. 5-2:100。
全文摘要
本發明公開了一種水蒸氣刻蝕碳納米管制備石墨烯納米帶的方法。該方法將多壁碳納米管放入聚四氟乙烯內襯中，并加入一定量的蒸餾水，振蕩使碳納米管分散均勻，然后將聚四氟乙烯內襯放入反應釜中，加熱到150-225℃，恒溫5h-20h，使多壁碳納米管從縱向裂解開，形成高質量的石墨烯納米帶。采用本發明制備的石墨烯納米帶具有褶皺少、不易團聚、層數可控、產率高等優點，同時制備過程簡單易操作，可以一步完成，無須采用表面活性劑進行分散，過程無污染，綠色環保。本發明克服了其他方法制備石墨烯的中存在的過程繁瑣、污染嚴重、產率低等缺點。
文檔編號B82Y40/00GK102616770SQ201210084629
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月28日 優先權日2012年3月28日
發明者劉春辰, 莊乃鋒, 胡曉琳, 趙斌, 郭飛云, 陳建中 申請人:福州大學