CN103922319B - 硼掺杂石墨烯纳米带及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硼掺杂石墨烯纳米带及其制备方法，包括如下步骤：制备氧化碳纳米壁浆料；制备硼掺杂石墨烯纳米带。本发明的硼掺杂石墨烯纳米带属于P型掺杂，可增加空穴浓度，同时提高其对锂电位，而且硼掺杂石墨烯纳米带的产率高，原料可自行制备，降低了生产成本。制备过程中所需的设备都是普通的化工设备，可节约研发设备成本，适合大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及化学材料合成领域，尤其涉及一种硼掺杂石墨烯纳米带及其制备方法。
背景技术
碳材料的种类包括零维的富勒烯(C60等)，一维的碳纳米管、碳纳米纤维等，二维的石墨烯，三维的石墨、金刚石等。碳纳米壁(英文缩写CNW)是具有二维扩散结构的碳纳米结构体，其最典型的形貌特征就是可垂直于基底材料表面生长，且为厚度大于石墨烯的壁状结构，其与富勒烯、碳纳米管、石墨烯等的特征完全不同，可作为制备其它碳材料的原料。
早于石墨烯发现之前人们就开始研究碳纳米壁的制备，在2002年就有文献报导碳纳米壁的制备及其相关应用。石墨烯纳米带不仅拥有石墨烯的性能，还具备一些特殊的性能，例如其长径比很大，可高达上千倍，在集成电路方面可代替铜导线，以进一步提高集成度，亦可对其结构进行改性制备成开关器件。但不管是早期的制备方法还是最近的制备方法，都会涉及到在等离子体气氛下进行反应，这就会对CNW的结构造成一定的破坏。另外，石墨烯纳米带制备过程中存在尺寸控制困难、产量低的问题，这也限制了其应用。
发明内容
本发明的发明目的在于解决上述现有技术存在的问题和不足，提供一种硼掺杂石墨烯纳米带及其制备方法，硼掺杂石墨烯纳米带属于N型掺杂，可增加电子浓度，同时也可提高石墨烯纳米带的导电性，使其在开关器件中作为导电添加剂更有优势。
为达到本发明的发明目的，本发明采用的技术方案为：一种硼掺杂石墨烯纳米带的制备方法，包括如下步骤：(a)制备氧化碳纳米壁浆料：取碳纳米壁加入到浓硫酸中，加入高锰酸钾并搅拌，再加入去离子水进行抽滤，之后用盐酸进行洗涤，抽滤到滤液呈中性，得到氧化碳纳米壁浆料。
(b)制备硼掺杂石墨烯纳米带：将所述氧化碳纳米壁浆料与掺硼剂按1：0.01～0.5的比例混合后搅拌均匀，然后直接转移到温度为500～1000℃的保护气氛中加热10～300分钟，冷却至室温后得到硼掺杂石墨烯纳米带。
硼掺杂石墨烯纳米带属于N型掺杂，可增加电子浓度，同时也可提高石墨烯纳米带的导电性，使其在开关器件中作为导电添加剂更有优势。
在所述步骤(a)中，所述碳纳米壁、所述浓硫酸、所述高锰酸钾及所述双氧水的质量体积比为：50g：1150ml：150g：250ml。
在所述步骤(b)中，所述掺硼剂为尿素、硝酸铵、碳酸铵或碳酸氢铵中的至少一种。
在所述步骤(b)中，所述保护气氛为氦气、氮气、氩气中的至少一种。
所述碳纳米壁通过以下步骤制备：(c)刻蚀衬底：用0.01～1mol/L的稀酸溶液将衬底刻蚀0.5～10分钟后清洗干净；
(d)制备碳纳米壁：将所述衬底置于无氧环境中加热至600～900℃，然后开启紫外光照射所述衬底表面，再通入含碳物质与保护性气体并保持30～300分钟，在所述衬底表面得到碳纳米壁。
采用刻蚀法和光催化化学气相沉积法制备垂直碳纳米壁，其制备工艺简单、条件易控、缩短刻蚀时间的同时提高了生产效率，而且光催化能有效降低反应温度，减少能耗，降低生产成本，并可有效避免现有方法中的等离子体法制备过程中出现的问题，使得碳纳米壁的厚度更均匀，结构更完整。
在所述步骤(c)中，所述衬底为铁箔、镍箔、钴箔中一种，所述稀酸溶液为盐酸、硝酸、硫酸中的一种，所述稀酸溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。
在所述步骤(c)中，所述刻蚀的时间为1～3分钟，所述衬底是用去离子水、乙醇、丙酮依次进行清洗的。
在所述步骤(d)中，所述含碳物质为甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙醇蒸气中的至少一种，所述保护性气体为氦气、氮气、氩气中的至少一种，通入所述含碳物质的流速为10～1000sccm，所述含碳物质与所述保护性气体的体积比为(2～10)：1。
本发明还包括利用上述制备方法制得的硼掺杂石墨烯纳米带。
与现有技术相比，本发明的硼掺杂石墨烯纳米带及其制备方法，存在以下的优点：1.硼掺杂石墨烯纳米带属于N型掺杂，可增加电子浓度，同时也可提高石墨烯纳米带的导电性，使其在开关器件中作为导电添加剂更有优势。硼掺杂石墨烯纳米带的产率高，纳米带的电导率也得到了提高，原料可自行制备，降低了生产成本。
2.采用刻蚀法和光催化化学气相沉积法制备垂直碳纳米壁，其制备工艺简单、条件易控、缩短刻蚀时间的同时提高了生产效率，而且光催化能有效降低反应温度，减少能耗，降低生产成本，并可有效避免现有方法中的等离子体法制备过程中出现的问题，使得碳纳米壁的厚度更均匀，结构更完整。
3.制备过程中所需的设备都是普通的化工设备，可节约研发设备成本，适合大规模生产。
附图说明
图1是本发明实施例1所制备的碳纳米壁SEM图。
图2是本发明实施例1所制备的硼掺杂石墨烯纳米带SEM图。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明予以进一步地详尽阐述。
本发明的硼掺杂石墨烯纳米带的制备过程大致分为以下步骤：1.刻蚀衬底：将衬底放入浓度为0.01～1mol/L的稀酸溶液中刻蚀0.5～10分钟，刻蚀后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗。
此步骤目的在于：通过对金属衬底蚀刻使得金属衬底蚀表面产生缺陷，能有效的改善金属衬底的表面结构，使碳纳米壁能够在该金属衬底表面生长。
其中，刻蚀该金属衬底的优选时间为60～180秒，蚀刻金属衬底的优选酸液浓度为0.1～0.5mol/L。以上优选刻蚀条件，能达到良好的刻蚀的效果，提高碳纳米壁的生长效率。
2.制备碳纳米壁：将清洗好的衬底放入反应室中并排除反应室中的空气，然后将衬底加热至600～900℃，再开启紫外光光源设备，使紫外光照射在衬底表面，接着按体积比(2～10)：1通入含碳物质(流量为10～1000sccm)与保护性气体，并保持30～300分钟。
此步骤目的在于：排除反应室中的空气可除去反应室中的氧气，避免氧气的参与而影响碳纳米壁的生长，为碳纳米壁的生长提供一个稳定的环境。
反应完成后，停止通入含碳物质，停止对衬底加热，并关闭紫外光光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入保护性气体，即在衬底表面得到碳纳米壁，将其从衬底表面刮下，便得到粉末状的碳纳米壁。
其中，衬底为铁箔、镍箔、钴箔中一种，稀酸溶液为盐酸、硝酸、硫酸中的一种。保护性气体为氦气、氮气、氩气中的至少一种，含碳物质为甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙醇蒸气中的至少一种。
3.制备氧化碳纳米壁浆料：将上述步骤2制备出的粉末状的碳纳米壁加入到0℃的浓硫酸中，再加入高锰酸钾，保持混合物的温度保持在10℃以下，搅拌2h后，在室温水浴搅拌24h，再在冰浴条件下缓慢加入去离子水，15min后，再加入含有30％浓度双氧水的去离子水抽滤，之后混合物颜色变为亮黄色，再用浓度为10％的盐酸进行洗涤，抽滤到滤液呈中性后，即得到氧化碳纳米壁浆料。
其中，碳纳米壁、浓硫酸、高锰酸钾及双氧水的质量体积比为：50g：1150ml：150g：250ml。
4.制备硼掺杂石墨烯纳米带：将氧化碳纳米壁浆料与掺硼剂按质量比为1：(0.01～0.5)混合后搅拌均匀，再转移到温度为500～1000℃的保护气氛中加热10～300分钟，高温可使氧化碳纳米壁与掺氮剂进行分解，掺氮剂同时也起到对氧化碳纳米壁还原的作用。在分解的过程中，实现氧化碳纳米壁的剥离与氮的掺杂反应。待冷却至室温后收集，便得到硼掺杂石墨烯纳米带。
其中，掺硼剂为尿素、硝酸铵、碳酸铵或碳酸氢铵中的至少一种。保护气氛为氦气、氮气、氩气中的至少一种。
本发明还包括利用上述制备方法制得的硼掺杂石墨烯纳米带。
以下以实施例1～3对本发明的硼掺杂石墨烯纳米带的制备步骤进行具体说明。
实施例1：1.刻蚀衬底：将镍箔放入浓度为1mol/L的稀盐酸溶液中刻蚀0.5分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗。
2.制备碳纳米壁：将清洗好的镍箔放入反应室并并排除所述反应室中的空气后将镍箔加热至900℃，然后开启紫外光光源设备，使紫外光照射在镍箔表面，接着通入含碳物质甲烷(流量为200sccm)和保护性气体氮气，甲烷与氮气的体积比为2：1，并保持100分钟。
反应完成后，停止通入含碳物质，停止对镍箔加热及关闭光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入氮气，在镍箔表面可得到碳纳米壁，将其从镍箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末。
3.制备氧化碳纳米壁浆料：制备氧化碳纳米壁浆料：将50g碳纳米壁加入0℃、1.15L的浓硫酸中，再加入150g高锰酸钾，混合物的温度保持在10℃以下，搅拌2h，然后在室温水浴搅拌24h后，在冰浴条件下缓慢加入4.6L去离子水，15min后，再加入14L去离子水(其中含有250ml浓度为30％的双氧水)，之后混合物颜色变为亮黄色，抽滤，再用2.5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤，直到滤液呈中性。
4.制备硼掺杂石墨烯纳米带：将氧化碳纳米壁浆料与尿素按质量比为1：0.5混合后搅拌均匀，直接转移到温度为800℃的氮气气氛中加热30分钟，待冷却至室温后收集，便得到硼掺杂石墨烯纳米带。
实施例2：1.刻蚀衬底：将铁箔放入浓度为0.5mol/L的稀硫酸溶液中刻蚀4分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗。
2.制备碳纳米壁：将清洗好的镍箔放入反应室并并排除所述反应室中的空气后将铁箔加热至600℃，然后开启紫外光光源设备，使紫外光照射在铁箔表面，接着通入含碳物质乙烷(流量为100sccm)和保护性气体氩气，甲烷与氩气的体积比为5：1，并保持200分钟。
反应完成后，停止通入含碳物质，停止对铁箔加热及关闭光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入保护性气体，在铁箔表面可得到碳纳米壁，将其从铁箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末。
3.制备氧化碳纳米壁浆料：制备氧化碳纳米壁浆料：将50g碳纳米壁加入0℃、1.15L的浓硫酸中，再加入150g高锰酸钾，混合物的温度保持在10℃以下，搅拌2h，然后在室温水浴搅拌24h后，在冰浴条件下缓慢加入4.6L去离子水，15min后，再加入14L去离子水(其中含有250ml浓度为30％的双氧水)，之后混合物颜色变为亮黄色，抽滤，再用2.5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤，直到滤液呈中性。
4.制备硼掺杂石墨烯纳米带：将氧化碳纳米壁浆料与硝酸铵按质量比为1：0.1混合后搅拌均匀，直接转移到温度为500℃的氦气气氛中加热10分钟，待冷却至室温后收集，便得到硼掺杂石墨烯纳米带。
实施例3：1.刻蚀衬底：将钴箔放入浓度为0.011mol/L的稀硝酸溶液中刻蚀10分钟，刻蚀好后用去离子水、乙醇、丙酮进行清洗。
2.制备碳纳米壁：将清洗好的钴箔放入反应室并并排除所述反应室中的空气后将钴箔加热至700℃，然后开启紫外光光源设备，使紫外光照射在钴箔表面，接着通入含碳物质乙炔(流量为10sccm)和保护性气体氦气，乙炔与氦气的体积比为8：1，并保持300分钟。
反应完成后，停止通入含碳物质，停止对钴箔加热及关闭光源设备，待反应室冷却至室温后停止通入保护性气体，在镍箔表面可得到碳纳米壁，将其从钴箔表面刮下，便得到碳纳米壁粉末。
3.制备氧化碳纳米壁浆料：制备氧化碳纳米壁浆料：将50g碳纳米壁加入0℃、1.15L的浓硫酸中，再加入150g高锰酸钾，混合物的温度保持在10℃以下，搅拌2h，然后在室温水浴搅拌24h后，在冰浴条件下缓慢加入4.6L去离子水，15min后，再加入14L去离子水(其中含有250ml浓度为30％的双氧水)，之后混合物颜色变为亮黄色，抽滤，再用2.5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤，直到滤液呈中性。
4.制备硼掺杂石墨烯纳米带：将氧化碳纳米壁浆料与硝酸铵按质量比为1：0.2混合后搅拌均匀，直接转移到温度为1000℃的氩气气氛中加热100分钟，待冷却至室温后收集，便得到硼掺杂石墨烯纳米带。
从图1中的碳纳米壁SEM图中可以看出，采用光催化化学气相沉积法制备的碳纳米壁厚度均匀，为20～40nm，且基本垂直衬底生长，高度一致性好。如图2的硼掺杂石墨烯纳米带SEM图所示，碳纳米壁被剥离成硼掺杂石墨烯纳米带后，宽度均匀，约为30～60nm，长度约为0.5～5um。长径比最高可达130。
下表1为实施例4～11的具体参数，实施例4～11的工艺步骤与实施例1～3相同，不同之处在于工艺参数和工艺条件，在此对其工艺步骤不再赘述。
本发明的硼掺杂石墨烯纳米带及其制备方法，存在以下的优点：1.硼掺杂石墨烯纳米带属于N型掺杂，可增加电子浓度，同时也可提高石墨烯纳米带的导电性，使其在开关器件中作为导电添加剂更有优势。硼掺杂石墨烯纳米带的产率高，纳米带的电导率也得到了提高，原料可自行制备，降低了生产成本。
2.采用刻蚀法和光催化化学气相沉积法制备垂直碳纳米壁，其制备工艺简单、条件易控、缩短刻蚀时间的同时提高了生产效率，而且光催化能有效降低反应温度，减少能耗，降低生产成本，并可有效避免现有方法中的等离子体法制备过程中出现的问题，使得碳纳米壁的厚度更均匀，结构更完整。
3.制备过程中所需的设备都是普通的化工设备，可节约研发设备成本，适合大规模生产。
上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种硼掺杂石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)制备氧化碳纳米壁浆料：取碳纳米壁加入到浓硫酸中，加入高锰酸钾并搅拌，再加入去离子水进行抽滤，之后用盐酸进行洗涤，抽滤到滤液呈中性，得到氧化碳纳米壁浆料；其中，所述去离子水含有双氧水；
(b)制备硼掺杂石墨烯纳米带：将所述氧化碳纳米壁浆料与掺硼剂按1：0.01～0.5的比例混合后搅拌均匀，然后直接转移到温度为500～1000℃的保护气氛中加热10～300分钟，冷却至室温后得到硼掺杂石墨烯纳米带。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，所述碳纳米壁、所述浓硫酸、所述高锰酸钾及所述双氧水的质量体积比为：50g：1150ml：150g：250ml。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，所述掺硼剂为三氧化二硼或硼酸中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，所述保护气氛为氦气、氮气、氩气中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，所述碳纳米壁通过以下步骤制备：
(c)刻蚀衬底：用0.01～1mol/L的稀酸溶液将衬底刻蚀0.5～10分钟后清洗干净；
(d)制备碳纳米壁：将所述衬底置于无氧环境中加热至600～900℃，然后开启紫外光照射所述衬底表面，再通入含碳物质与保护性气体并保持30～300分钟，在所述衬底表面得到碳纳米壁。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(c)中，所述衬底为铁箔、镍箔、钴箔中一种，所述稀酸溶液为盐酸、硝酸、硫酸中的一种，所述稀酸溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(c)中，所述刻蚀的时间为1～3分钟，所述衬底是用去离子水、乙醇、丙酮依次进行清洗的。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(d)中，所述含碳物质为甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙醇蒸气中的至少一种，所述保护性气体为氦气、氮气、氩气中的至少一种，通入所述含碳物质的流速为10～1000sccm，所述含碳物质与所述保护性气体的体积比为(2～10)：1。
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