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一种石墨烯/氮化硼层状 异质结构及其制备方法

阅读：1031发布：2020-08-24

专利汇可以提供一种石墨烯/氮化硼层状异质结构及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于无机纳米材料领域，具体涉及一种石墨烯/氮化硼层状异质结构及其制备方法。该方案提出的复合异质结构，石墨烯表面被氮化硼覆盖，横向长度为30～80μm。所述方法包括：在去离子水中依次加入分散剂和石墨烯经处理形成稳定分散液，再加入氧化硼在一定温度下恒温搅拌至浓稠泥浆状，涂覆于刚玉舟表面，真空干燥后得到前驱体；将其置于真空管式炉中，在氩气气氛中持续加热至一定温度后再通入氨气进行反应得到初步产物，经处理后可得到所述层状异质结构材料。本发明工艺简单，不需任何金属催化剂，材料纯度高、结晶性好，集合了石墨烯与氮化硼二者的优异性能，为二维材料工业化生产提供了技术方案。，下面是一种石墨烯/氮化硼层状异质结构及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种石墨烯/氮化硼层状异质结构，其特征在于，该结构中石墨烯表面被氮化硼覆盖，形成一种原子级厚度的石墨烯/氮化硼多层复合异质结构，横向长度为30～80μm。
2.权利要求1所述的一种石墨烯/氮化硼层状异质结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备前驱体：在去离子水中依次加入分散剂和石墨烯，经超声磁力搅拌处理后形成稳定分散液，再加入氧化硼，在一定温度下恒温搅拌至浓稠泥浆状，涂覆于刚玉舟表面，真空干燥后得到前驱体；
(2)石墨烯/氮化硼层状异质结构的制备与提纯：将步骤(1)所得装有前驱体的刚玉舟置于真空管式炉中，在氩气气氛中持续加热至一定温度后再通入氨气进行反应，随后自然冷却至室温，得到初步产物，经处理后可得到石墨烯/氮化硼层状异质结构。
3.根据权利要求2所述的石墨烯/氮化硼层状异质结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的分散剂为十二烷基硫酸钠，分散剂浓度为0.05～2mg/ml，所述石墨烯与分散剂的质量比为1：0.05～4。
4.根据权利要求2所述的石墨烯/氮化硼层状异质结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述磁力搅拌的时间为12～24h，超声处理时间为1～10h。
5.根据权利要求2所述的石墨烯/氮化硼层状异质结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中石墨烯与氧化硼质量比为1：18.5～100，加入氧化硼后的磁力搅拌的指定温度为
80℃～100℃。
6.根据权利要求2所述的石墨烯/氮化硼层状异质结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中真空干燥的温度为60℃，干燥时间为12h。
7.根据权利要求2所述的石墨烯/氮化硼层状异质结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中管式炉以5℃/min的升温速率升至600～1300℃，反应时间1.5～6h。
8.根据权利要求2所述的石墨烯/氮化硼层状异质结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中氩气的通入速率为150～300ml/min，氨气的通入速率为20～100ml/min。
9.根据权利要求2所述的石墨烯/氮化硼层状异质结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的初步产物的处理为：用80℃的去离子水洗涤产物3～5次直至PH值为7，将得到的固体粉末置于真空干燥箱内60℃干燥12h。
10.权利要求1所述一种石墨烯/氮化硼层状异质结构或权利要求2～9任意一项所述制备方法制备的具有石墨烯/氮化硼层状异质结构材料的应用。

说明书全文

一种石墨烯/氮化硼层状 异质结构及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及二维纳米材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯/氮化硼层状异质结构及其制备方法。

背景技术

[0002] 近年来随着石墨烯等二维纳米材料的成功制备及其各方面优异性能的不断发现，层状纳米材料逐渐成为研究的热点。在这些材料中，石墨烯和二维氮化硼纳米结构占有举足轻重的地位。

[0003] 石墨烯是一种典型的二维材料，其原子相互结合形成单原子层的蜂窝状晶格，具有极高的电子迁移率使其在电子器件中有着广泛的潜在应用价值，层内相互作用较强具有良好的力学性质，此外还具有高导电率，高热导率等优势特性。石墨稀的独特性质也引发了人们对于类石墨稀结构的层状材料的兴趣。二维六角氮化硼纳米片与石墨烯结构类似，相邻原子之间共享相同数目的电子，其片层之间由范德华力结合，除具有与石墨烯相似的结构特征和物理性质，如高强度，高导热，耐高温等，还具有抗氧化、带隙宽、热膨胀系数低、化学稳定性高、中子辐射屏蔽、超疏水、压电特性及良好的生物相容性等优良性质。因此，六角氮化硼纳米片在高强度功能性复合材料、生物医学等领域逐渐占据终于地位，具有广阔的应用前景。将石墨烯与氮化硼纳米材料完美结合，利用二者特性的增强与互补，将打开更多应用领域的大门，如热传导、数字开关等领域将展现更大的实用优势。因此，石墨烯/氮化硼复合材料的可控制备和大批量生产成为纳米材料科学的重要研究方向。

[0004] 现有的技术方案通常是采用分步制备石墨烯和氮化硼，然后转移至相应的基底表面来实现二者的复合，转移过程中使用的溶剂或转移剂极容易造成石墨烯与氮化硼界面的污染,进而影响复合材料的电学、光学等性能。也有部分技术方案在前驱物中加入高热分解易产生剧毒氰化物的三聚氰胺，制备过程复杂难以控制，将对环境以及操作人员造成一定危害。综上所述，如何尽最大可能保留石墨烯与氮化硼各自的优异属性的前提下寻求一种简单有效、环境友好的制备方法来获得石墨烯/氮化硼异质结构是目前亟待解决的关键性技术难题。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明目的在于克服已有技术方案存在的不足，提供一种石墨烯/氮化硼层状异质结构及其制备方法。

[0006] 为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

[0007] 本发明提供了一种石墨烯/氮化硼层状异质结构，以二维层状氮化硼覆盖石墨烯，形成原子级厚度的石墨烯/氮化硼多层复合异质结构。

[0008] 优选的，所述石墨烯/氮化硼多层复合异质结构的横向长度为50～70μm。

[0009] 本发明提供了上述石墨烯/氮化硼层状异质结构的制备方法，包括以下步骤：

[0010] (1)制备前驱体：在去离子水中依次加入分散剂和石墨烯，经超声磁力搅拌处理后形成稳定分散液，再加入氧化硼，在一定温度下恒温搅拌至浓稠泥浆状，涂覆于刚玉舟表面，真空干燥后得到前驱体；

[0011] (2)石墨烯/氮化硼层状异质结构的制备与提纯：将步骤(1)所得前驱体置于真空管式炉中，在氩气气氛中持续加热至一定温度后再通入氨气进行反应，随后自然冷却至室温，得到初步产物，经处理后可得到石墨烯/氮化硼层状异质结构。

[0012] 优选的，所述步骤(1)中分散剂为十二烷基硫酸钠，分散剂浓度为1～2mg/ml。

[0013] 优选的，所述步骤(1)中石墨烯与分散剂的质量比为1：2～4。

[0014] 优选的，所述步骤(1)中磁力搅拌的时间为12～24h。

[0015] 优选的，所述步骤(1)中超声处理时间为3～10h。

[0016] 优选的，所述步骤(1)中石墨烯与氧化硼质量比为1：18.5～50。

[0017] 优选的，所述步骤(1)中磁力搅拌的指定温度为80℃。

[0018] 优选的，所述步骤(1)中干燥温度为60℃，干燥时间为12h。

[0019] 优选的，所述步骤(2)中管式炉以5℃/min的升温速率升至800～1300℃，反应时间2～6h。

[0020] 优选的，所述步骤(2)中氩气的通入速率为200～300ml/min，氨气的通入速率为20～80ml/min。

[0021] 优选的，所述步骤(2)的初步产物的处理为：用80℃的去离子水洗涤产物3～5次，直至PH值为7，将得到的固体粉末置于真空干燥箱内60℃干燥12h。

[0022] 相对于现有技术，本发明的有益效果：(1)本发明提供的技术方案能够直接在石墨烯薄层的表面均匀稳定地覆盖上单层或者多层二维层状氮化硼纳米薄片，获得原子级厚度的石墨烯/氮化硼层状异质结构，避免了以往石墨烯转移过程中出现的破损以及转移剂或溶剂造成的表面和界面的污染。(2)本发明以石墨烯和氧化硼的混合物作为前驱体，利用十二烷基硫酸钠为分散剂，以氩气作为载气，氨气作为反应气体，制备方法简单，无需高压环境，对设备要求低，易于实现工业化；所用的化学反应试剂廉价易得，无论是前驱药品和后期产物都对环境友好。(3)本发明制备的原子级厚度的石墨烯/氮化硼层状异质结构表现出较高的稳定性和优异的物化特性，且重复性佳，在二维功能材料领域极具应用前景。附图说明

[0023] 图1为实施例1所制备石墨烯/氮化硼层状异质结构的拉曼图谱。

[0024] 图2为实施例1所制备石墨烯/氮化硼层状异质结构的透射电子显微镜图片。

[0025] 图3为实施例1所制备石墨烯/氮化硼层状异质结构的透射电子显微镜高分辨图像。

[0026] 图4为实施例1所制备石墨烯/氮化硼层状异质结构的透射电子显微镜高分辨图像。

具体实施方式

[0027] 下面结合实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。

[0028] 实施例1

[0029] 称取20mg十二烷基硫酸钠溶于10ml去离子水中，形成溶液备用；称取10mg石墨烯加入上述溶液磁力搅拌12h后超声3h，形成稳定石墨烯分散液；再将230mg氧化硼在80℃下加入上述分散液中，恒温磁力搅拌至浓稠泥浆状后均匀涂覆于刚玉舟表面于60℃烘干12h备用；将干燥好的刚玉舟置于管式炉通入250ml/min氩气保护以5℃/min的升温速率升至1200℃通入50ml/min的氨气保温3h，取出反应后物质以80℃热水洗涤至PH值接近7，对其进行过滤干燥，得到石墨烯/氮化硼层状异质结构。

[0030] 图1为所制备石墨烯/氮化硼层状异质结构的拉曼谱图，图中在1345左右的位置出现了氮化硼典型拉曼峰位，与石墨烯D峰叠加使此处峰值相比于典型石墨烯峰值强度明显增强。另外还有石墨烯的G峰峰位以及变矮变宽的石墨烯2D特征峰。由图1可知产物为石墨烯氮化硼复合物。图2为所制备石墨烯/氮化硼层状异质结构的透射电子显微镜图像，反应了所制备产物的层状形貌。

[0031] 实施例2

[0032] 在实施例1中，反应温度由1200℃变为1000℃，其他步骤与实施例1相同，可得到类似于实施例1中的石墨烯/氮化硼层状异质结构。图3为所制备石墨烯/氮化硼层状异质结构的透射电子显微镜高分辨图，可以清楚的看到两相产物的各自晶格分布及明显的层状结构。

[0033] 实施例3

[0034] 在实施例1中，石墨烯与氧化硼的质量分别增加为20mg和460mg,其他步骤与实施例1相同，仍可得到类似于实施例1中的石墨烯/氮化硼层状异质结构。图4为所制备石墨烯/氮化硼层状异质结构的透射电子显微镜高分辨图，可看到层状交叠的形貌结构以及明显晶格分布。

[0035] 实施例4

[0036] 在实施例1中，反应时间由3h变为5h，其他步骤与实施例1相同，可得到类似于实施例1中的石墨烯/氮化硼层状异质结构。

[0037] 实施例5

[0038] 在实施例1中，氩气流量改为300ml/min，氨气流量改为30ml/min，其他步骤与实施例1相同，可得到类似石墨烯/氮化硼层状异质结构。

[0039] 实施例6

[0040] 在实施例1中，超声时间由3h变为6h，其他步骤与实施例1相同，可得到类似于实施例1中的石墨烯/氮化硼层状异质结构。

[0041] 对比例1

[0042] 在实施例1中，氧化硼质量单独增加1000mg，其他条件保持不变，操作步骤与实施例1相同，无法得到上述石墨烯/氮化硼层状异质结构。

[0043] 对比例2

[0044] 在实施例1中，氨气流量改为120ml/min，其他步骤与实施例1相同，无法得到类似石墨烯/氮化硼层状异质结构。

[0045] 对比例3

[0046] 在实施例1中，反应温度由1200℃变为1400℃，其他步骤与实施例1相同，无法得到类似石墨烯/氮化硼层状异质结构。

[0047] 对比例4

[0048] 在实施例1中，反应时间由3h改为1h，其他步骤与实施例1相同，无法得到类似石墨烯/氮化硼层状异质结构。

[0049] 本发明提供了一种原子级厚度的石墨烯/氮化硼层状异质结构及其制备方法，并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述的具体实验操作。故凡依本发明申请专利范围所述的前驱物、操作流程及原理所做的等效变化/变动或顺序改变，均应包括于本发明专利的保护范围内。

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