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一种掺杂石墨烯及其制备方法

阅读:629发布:2021-07-04

专利汇可以提供一种掺杂石墨烯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 石墨 烯材料技术领域,并公开了一种 硼 掺杂 石墨烯 及其制备方法。本发明采用高温热掺杂法制备硼掺杂石墨烯,包括以下步骤:以石墨为原料, 氧 化后制得氧化石墨;将氧化石墨置于惰性气体与硼源气体构成的混合气体氛围中,升温至800~1100℃并保温处理0.5~2小时,将所得产物冷却至室温,即得硼掺杂石墨烯。本发明中,利用高温热掺杂法制备硼掺杂石墨烯的工艺步骤少且操作简单,同时对设备要求低,有利于实现大规模工业化生产;氧化石墨为有序性相对较差的 碳 材料,这种有序性较低的材料更适合进行硼的掺杂,采用气态形式的硼源可使掺杂过程更为均匀;所制备的硼掺杂石墨烯呈P-型掺杂,并不影响石墨烯原有的共轭结构,且具有比石墨烯更加优异的 导电性 能。,下面是一种掺杂石墨烯及其制备方法专利的具体信息内容。

1. 一种掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,采用高温热掺杂法制备所述硼掺杂石墨烯,所述方法包括以下步骤:
S1:制备化石墨:以石墨为原料,氧化后制得氧化石墨;以及
S2:制备所述硼掺杂石墨烯:将所述氧化石墨置于惰性气体与硼源气体构成的混合气体氛围中,升温至800~1100℃并保温处理0.5~2小时,将所得产物冷却至室温,即得所述硼掺杂石墨烯。
2. 根据权利要求1所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,在所述步骤S1中,所述石墨的纯度为99.5%。
3. 根据权利要求1或2所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,所述步骤S1包括:将称量好的石墨加入浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中,在混合浴中搅拌,在混合溶液中再加入高锰酸使石墨初步氧化,然后将混合溶液加热至70~95℃,保温处理使石墨进一步氧化,再在混合溶液中加入过氧化氢除去高锰酸钾,抽滤并用稀盐酸和去离子水对所得产物进行反复洗涤,干燥后制得所述氧化石墨。
4. 根据权利要求3所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,所述石墨与浓硫酸、浓硝酸和过氧化氢的质量体积比分别为1:80~1:100、1:20~1:30和1:5~1:30,所述石墨与高锰酸钾的质量比为1:1~1:10。
5. 根据权利要求4所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,所述高锰酸钾和过氧化氢的用量成正比。
6. 根据权利要求1所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,所述硼源气体为气态三氯化硼或气态乙烷硼,所述惰性气体为氩气。
7. 根据权利要求1或6所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于, 所述惰性气体与硼源气体的流量均为50~400ml/分钟。
8. 根据权利要求7所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,所述惰性气体与硼源气体的体积比为1:8~8:1。
9. 根据权利要求1所述的硼掺杂石墨烯的制备方法,其特征在于,制备所述硼掺杂石墨烯的升温速率为10~20℃/分钟。
10. 一种硼掺杂石墨烯,其特征在于,所述硼掺杂石墨烯由权利要求1-9中任一项权利要求的制备方法制备得到。

说明书全文

一种掺杂石墨烯及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及石墨烯材料技术领域,更具体地,涉及一种硼掺杂石墨烯及其制备方法。

背景技术

[0002] 石墨烯是一种由原子以sp2杂化轨道组成六型呈蜂巢晶格的平面薄膜,是只有一个碳原子厚度的二维材料。自从2004年被发现以来,石墨烯由于其二维单分子结构以及优良的物理性质受到各个行业的高度关注。其具有高的理论比表面积、优良的机械强度、良好的柔韧性和高导电率等,可应用于复合材料电池电极材料、储氢材料、场发射材料以及超敏感传感器等技术领域,必将给电子能源等领域中的材料带来变革。
[0003] 硼掺杂石墨烯和氮掺杂石墨烯是两种代表性的石墨烯衍生物。其中,由于硼原子比碳原子外层少一个电子,硼掺杂石墨烯呈P-型掺杂,因此在半导体和储能材料领域具有广阔的应用前景。目前,制备硼掺杂石墨烯的主要方法为化学气相沉积法和电弧放电法。但这两种方法均涉及精密设备和复杂操作,较难实现工业化制备。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术中制备硼掺杂石墨烯的化学气相沉积法和电弧放电法的设备和操作要求高、难以实现工业化制备的缺陷,提供一种对设备要求低、操作简单、处理效率高且便于实现大规模工业制备的硼掺杂石墨烯的制备方法。
[0005] 本发明要解决的另一技术问题在于,提供一种硼掺杂石墨烯,这种石墨烯衍生物具有比石墨烯更优异的导电性能。
[0006] 本发明要解决的技术问题通过以下技术方案得以实现:根据本发明的一个方面,提供一种硼掺杂石墨烯的制备方法,采用高温热掺杂法制备所述硼掺杂石墨烯,所述方法包括以下步骤:
[0007] S1:制备化石墨:以石墨为原料,氧化后制得氧化石墨;以及[0008] S2:制备所述硼掺杂石墨烯:将所述氧化石墨置于惰性气体与硼源气体构成的混合气体氛围中,升温至800~1100℃并保温处理0.5~2小时,将所得产物冷却至室温,即得所述硼掺杂石墨烯。
[0009] 在上述硼掺杂石墨烯的制备方法中,在所述步骤S1中,所述石墨的纯度为99.5%。
[0010] 在上述硼掺杂石墨烯的制备方法中,所述步骤S1包括:将称量好的石墨加入浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中,在混合浴中搅拌,在混合溶液中再加入高锰酸使石墨初步氧化,然后将混合溶液加热至70~95℃,保温处理使石墨进一步氧化,再在混合溶液中加入过氧化氢除去高锰酸钾,抽滤并用稀盐酸和去离子水对所得产物进行反复洗涤,干燥后制得所述氧化石墨。
[0011] 在上述硼掺杂石墨烯的制备方法中,所述石墨与浓硫酸、浓硝酸和过氧化氢的质量体积比分别为1∶80~1∶100、1∶20~1∶30和1∶5~1∶30,所述石墨与高锰酸钾的质量比为1∶1~1∶10。
[0012] 在上述硼掺杂石墨烯的制备方法中,所述高锰酸钾和过氧化氢的用量成正比。
[0013] 在上述硼掺杂石墨烯的制备方法中,所述硼源气体为气态三氯化硼或气态乙烷硼,所述惰性气体为氩气。
[0014] 在上述硼掺杂石墨烯的制备方法中,所述惰性气体与硼源气体的流量均为50~400ml/分钟。
[0015] 在上述硼掺杂石墨烯的制备方法中,所述惰性气体与硼源气体的体积比为1∶8~8∶1。
[0016] 在上述硼掺杂石墨烯的制备方法中,制备所述硼掺杂石墨烯的升温速率为10~20℃/分钟。
[0017] 根据本发明的另一方面,提供一种硼掺杂石墨烯,所述硼掺杂石墨烯由上述硼掺杂石墨烯的制备方法制备得到。
[0018] 实施本发明可获得以下有益效果:(1)与其他制备方法相比,利用高温热掺杂法、在高温下可直接由氧化石墨与硼源气体反应制备得到硼掺杂石墨烯,工艺步骤少且操作简单,同时对设备要求低,有利于实现大规模工业化生产;(2)氧化石墨为有序性相对较差的碳材料,这种有序性较低的材料更适合于进行硼的掺杂,采用气态形式的硼源可使掺杂过程更为均匀;(3)所制备的硼掺杂石墨烯呈P-型掺杂,并不影响石墨烯原有的共轭结构,且具有比石墨烯更加优异的导电性能。

具体实施方式

[0019] 本发明提供了一种硼掺杂石墨烯的制备方法,该方法以石墨为原料,在制备得到氧化石墨后采用高温热掺杂法进一步制得所需的硼掺杂石墨烯。高温掺杂过程中,氧化石墨膨胀后分层,氧元素进行热解,石墨烯片层发生剥离,同时由硼源气体中的硼原子完成P-型掺杂。本发明所制备的氧化石墨的碳氧比小于3,这一类型的氧化石墨呈现出一种比石墨烯有序度低的结构。而对于硼掺杂碳材料,碳材料的相对有序性越低,越容易进行掺杂。直接采用气态形式的硼源则使得高温掺杂更易进行,且可提高掺杂均匀性。该制备方法操作简单、便于实现,所用原料易得且成本低,所制得的硼掺杂石墨烯具有良好导电性能。以下通过具体实施例描述本发明中采用高温热掺杂法制备硼掺杂石墨烯的具体工艺流程。
[0020] 实施例1:
[0021] 以纯度为99.5%的石墨为原料,称取1g石墨加入由92ml浓硫酸(质量分数为98%)和24ml浓硝酸(质量分数为65%)组成的混合溶液中,将混合溶液置于冰水混合浴环境中搅拌20分钟,再在混合溶液中加入3g高锰酸钾,搅拌1小时使石墨初步氧化,然后将混合溶液加热至85℃,并保温处理30分钟使石墨进一步氧化,随后加入92ml去离子水,继续在85℃的温度下保持30分钟,最后在混合溶液中加入8ml过氧化氢(质量分数为
30%)以除去高锰酸钾,抽滤并用100ml稀盐酸和150ml去离子水对所得固体产物进行洗涤,共洗涤三次,然后将固体产物置于60℃真空烘箱中干燥12小时后制得氧化石墨;将制得的氧化石墨置于流速均为200ml/min的氩气和三氯化硼的混合气体氛围中,以15℃/min的升温速率将混合气体氛围升温至900℃,保温处理2小时后在200ml/min的氩气氛围下使所得产物降至室温,得到硼掺杂石墨烯。
[0022] 表1实施例1中硼掺杂石墨烯各主要元素的含量
[0023]测试样 碳元素(%) 硼元素(%) 氧元素(%)
硼掺杂石墨烯 86.7 3.2 10.1
[0024] 表1为实施例1中制备得到的硼掺杂石墨烯通过XPS测试得到的各主要元素的含量。由表中数据可知,所制备得到的硼掺杂石墨烯的含硼量为3.2%、氧含量为10.1%。
[0025] 实施例2:
[0026] 以纯度为99.5%的石墨为原料,称取1g石墨加入由92ml浓硫酸(质量分数为98%)和20ml浓硝酸(质量分数为65%)组成的混合溶液中,将混合溶液置于冰水混合浴环境中搅拌20分钟,再在混合溶液中加入4g高锰酸钾,搅拌1小时使石墨初步氧化,然后将混合溶液加热至95℃,并保温处理30分钟使石墨进一步氧化,随后加入92ml去离子水,继续在95℃的温度下保持30分钟,最后在混合溶液中加入8ml过氧化氢(质量分数为
30%)以除去高锰酸钾,抽滤并用100ml稀盐酸和150ml去离子水对所得固体产物进行洗涤,共洗涤三次,然后将固体产物置于60℃真空烘箱中干燥12小时后制得氧化石墨;将制得的氧化石墨置于流速分别为200ml/min和300ml/min的氩气和乙烷硼的混合气体氛围中,以20℃/min的升温速率将混合气体氛围升温至1000℃,保温处理2小时后在200ml/min的氩气氛围下使所得产物降至室温,得到硼掺杂石墨烯。
[0027] 实施例3:
[0028] 以纯度为99.5%的石墨为原料,称取2g石墨加入由160ml浓硫酸(质量分数为98%)和60ml浓硝酸(质量分数为65%)组成的混合溶液中,将混合溶液置于冰水混合浴环境中搅拌20分钟,再在混合溶液中加入2g高锰酸钾,搅拌1小时使石墨初步氧化,然后将混合溶液加热至80℃,并保温处理30分钟使石墨进一步氧化,随后加入92ml去离子水,继续在80℃的温度下保持30分钟,最后在混合溶液中加入10ml过氧化氢(质量分数为
30%)以除去高锰酸钾,抽滤并用100ml稀盐酸和150ml去离子水对所得固体产物进行洗涤,共洗涤三次,然后将固体产物置于60℃真空烘箱中干燥12小时后制得氧化石墨;将制得的氧化石墨置于流速分别为400ml/min和50ml/min的氩气和三氯化硼的混合气体氛围中,以20℃/min的升温速率将混合气体氛围升温至1100℃,保温处理0.5小时后在400ml/min的氩气氛围下使所得产物降至室温,得到硼掺杂石墨烯。
[0029] 实施例4:
[0030] 以纯度为99.5%的石墨为原料,称取1g石墨加入由100ml浓硫酸(质量分数为98%)和25ml浓硝酸(质量分数为65%)组成的混合溶液中,将混合溶液置于冰水混合浴环境中搅拌20分钟,再在混合溶液中加入10g高锰酸钾,搅拌1小时使石墨初步氧化,然后将混合溶液加热至90℃,并保温处理30分钟使石墨进一步氧化,随后加入92ml去离子水,继续在85℃的温度下保持30分钟,最后在混合溶液中加入30ml过氧化氢(质量分数为
30%)以除去高锰酸钾,抽滤并用100ml稀盐酸和150ml去离子水对所得固体产物进行洗涤,共洗涤三次,然后将固体产物置于60℃真空烘箱中干燥12小时后制得氧化石墨;将制得的氧化石墨置于流速分别为50ml/min和400ml/min的氩气和乙烷硼的混合气体氛围中,
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