CN108911524B - 一种Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的制备方法，将葡萄糖与盐酸混合，混合溶液在大气环境下搅拌熬制至溶液粘度为1×105~1×106厘泊，将去离子水、无水乙醇、熬制好的焦糖溶液按比例混合后过滤，滤液为掺杂Cl的前驱体溶液，将掺杂Cl的前驱体溶液在石英片上进行旋涂，制得旋涂片；将旋涂片恒温干燥20~35min，然后将干燥的旋涂片置于真空条件下，在600~800℃退火20~24h，得到Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯薄膜；本发明工艺简单，条件温和，成本低，高效环保，所制备的石墨烯材料具有掺杂量可控和试样片径大的优点。

Description

一种Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的制备方法
技术领域
本发明属于纳米石墨烯材料技术领域，具体涉及一种Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯是一种二维碳材料，具有优异的电学、热学、力学等性能，在能源、电子材料、生物医学以及环境保护等诸多领域受到广泛关注，低价且高品质的石墨烯原料是推进其应用发展的必要条件。现有的石墨烯制备技术包括还原氧化石墨烯法、化学气相沉积法、外延生长法、分子自组装法等，其中化学还原氧化石墨烯法可以实现大规模生产，但制备的石墨烯缺陷较多，且不可避免的产生一定的污染，还原使用的化学试剂也存在一定的安全问题，目前主要用于生产具有官能团的功能化石墨烯材料。
现阶段关于掺杂石墨烯的制备也有很多的研究，CN108163847A提供了一种大片径石墨烯的制备方法，该方法是以石墨为主要原料，以高粘度糖浆为主要助剂，利用机械剥离方式制备大片径石墨烯，但是该方法制备的石墨烯性能较差且容易被糖浆助剂污染，既失去了本征石墨烯的性能，又无法得到具有特殊官能团的功能化石墨烯。CN107973293A和CN107662917A也提供了制备石墨烯的方法，该技术是主要利用机械剥离石墨后获得团聚型石墨烯再经超声振动将石墨烯块体进行分解，但是机械剥离制备方法所得的石墨烯块体分解后形状不一、难以标准化，并且存在难以将石墨烯从超声溶剂中分离的严重缺陷。
因此，从产业化制备导电性能优良的大面积功能化石墨烯角度考虑，开发简便易行、成本低廉可规模化生产的功能化石墨烯制备技术，具有极大的市场潜力。
发明内容
本发明提供一种Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的制备方法，具体涉及掺杂Cl的前驱体溶液的配制、旋涂片制备及退火过程，具体步骤如下：
（1）按照葡萄糖中的C和盐酸中的Cl的原子比为9~3:1的比例，将葡萄糖与盐酸混合，混合溶液在大气环境下、100~200℃搅拌熬制至溶液粘度为1×105~1×106厘泊，将去离子水、无水乙醇、熬制好的前驱体溶液按照体积比1:1:2~3的比例混合后过滤，滤液为掺杂Cl的前驱体溶液；
（2）将步骤（1）制得的掺杂Cl的前驱体溶液在石英片上进行旋涂，旋涂参数：以1000~1500r/s的转速预涂3s，然后以2200~2800r/s的转速旋涂1min，制得旋涂片；
（3）将步骤（2）制得的旋涂片在恒温箱中恒温干燥20~35min，然后将干燥的旋涂片置于真空炉中，真空条件下，在600~800℃退火20~24h，得到Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯。
步骤（1）所述盐酸的浓度为1~2mol/L。
步骤（1）所述搅拌是以1000-1500r/min的转速搅拌30~40min，随着熬制后溶液粘度增加，然后以500-800r/min的转速搅拌30~40min，再以300r/min的转速搅拌至结束。
步骤（1）所述过滤是使用0.1~0.3μm孔径的滤嘴进行过滤。
步骤（3）所述干燥温度为80~100℃。
步骤（3）所述真空条件的真空度为2×10-1Pa ~5×10-1Pa。
本发明的有益效果：
（1）本发明利用简单的器材和药品进行制备；过程容易把控且重复性强；制备方式简便安全，可以标准化操作，为大规模制备其它掺杂型功能化石墨烯提供了很好的借鉴。
（2）本发明利用旋涂片退火制得的石墨烯，其生长形态和生长面积可控，制备的石墨烯薄膜性能优良，表面形貌平整度好，形貌达纳米级，导电性好，性能优良，可直接用于光电器件。
（3）本发明能够更好地研究新型石墨烯的制备方法和生长机理，并进一步研究不同掺杂的石墨烯性能。
附图说明
图1是实施例1制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的TEM图；
图2是实施例1制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的拉曼光谱；
图3是实施例2制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的TEM图；
图4是实施例2制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的拉曼光谱；
图5是实施例3制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的TEM图；
图6是实施例3制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的拉曼光谱；
图7是实施例1~3制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的吸收光谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1
一种Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的制备方法，具体涉及掺杂Cl的前驱体溶液的配制、旋涂片制备及退火过程，具体步骤如下：
（1）按照葡萄糖中的C和盐酸中的Cl的原子比为9:1的比例，将葡萄糖与浓度为1mol/L的盐酸混合，将混合溶液在大气环境下、置于100℃搅拌条件下熬制至溶液粘度为1×105厘泊，搅拌是以1500r/min的转速搅拌30min，随着熬制后溶液粘度增加，然后以800r/min的转速搅拌30min，再以300r/min的转速搅拌至结束，将去离子水、无水乙醇、熬制好的焦糖溶液按照体积比1:1:2的比例混合后过滤，过滤是使用0.1μm孔径的滤嘴进行过滤，滤液为掺杂Cl的前驱体溶液；
（2）将步骤（1）制得的掺杂Cl的前驱体溶液在石英片上进行旋涂，旋涂参数：以1500r/s的转速预涂3s，最后按照2800r/s的转速旋涂1min，制得旋涂片；
（3）将步骤（2）制得的旋涂片在恒温箱中，80℃干燥35min，然后将干燥的旋涂片置于真空炉中，真空度为2×10-1Pa的真空条件下，在800℃退火20h，得到Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯。
图1是本实施例制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的TEM图，从图中可知，掺杂石墨烯成膜质量良好，成膜较薄；图2是本实施例制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的拉曼光谱，从图中可发现D峰、G峰、2D峰三个石墨烯的特征峰，证实退火得到的物质为石墨烯薄膜；对本实施例制得的Cl掺杂石墨烯片对角面电阻进行表征测试，电阻为3.5kΩ，导电性能好，说明本发明制备得到的掺杂石墨烯薄膜可以进一步开发用于光电器件的电极。
实施例2
一种Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的制备方法，具体涉及掺杂Cl的前驱体溶液的配制、旋涂片制备及退火过程，具体步骤如下：
（1）按照葡萄糖中的C和盐酸中的Cl的原子比为5:1的比例，将葡萄糖与浓度为1.5mol/L的盐酸混合，将混合溶液在大气环境下、置于150℃搅拌条件下熬制至溶液粘度为1×106厘泊，搅拌是以1200r/min的转速搅拌35min，随着熬制后溶液粘度增加，然后以600r/min的转速搅拌35min，再以300r/min的转速搅拌至结束，将去离子水、无水乙醇、熬制好的焦糖溶液按照体积比1:1:2.5的比例混合后过滤，过滤是使用0.2μm孔径的滤嘴进行过滤，滤液为掺杂Cl的前驱体溶液；
（2）将步骤（1）制得的掺杂Cl的前驱体溶液在石英片上进行旋涂，旋涂参数：以1200r/s的转速预涂3s，最后按照2500r/s的转速旋涂1min，制得旋涂片；
（3）将步骤（2）制得的旋涂片在恒温箱中，90℃干燥30min，然后将干燥的旋涂片置于真空炉中，真空度为3×10-1Pa的真空条件下，在750℃退火22h，得到Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯。
图3是本实施例制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的TEM图，从图中可知，掺杂石墨烯成膜质量良好，膜层较实施例1变厚；图4是本实施例制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的拉曼光谱，从图中可发现D峰、G峰、2D峰三个石墨烯的特征峰，证实退火得到的物质为石墨烯薄膜，对本实施例制得的Cl掺杂石墨烯片对角面电阻进行表征测试，电阻为3kΩ，导电性能好，说明本发明制备得到的掺杂石墨烯薄膜可以进一步开发用于光电器件的电极。
实施例3
一种Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的制备方法，具体涉及掺杂Cl的前驱体溶液的配制、旋涂片制备及退火过程，具体步骤如下：
（1）按照葡萄糖中的C和盐酸中的Cl的原子比为3:1的比例，将葡萄糖与浓度为2mol/L的盐酸混合，将混合溶液在大气环境下、置于200℃搅拌条件下熬制至溶液粘度为1×106厘泊，搅拌是以1000r/min的转速搅拌40min，随着熬制后溶液粘稠度增加，然后以500r/min的转速搅拌40min，再以300r/min的转速搅拌至结束，将去离子水、无水乙醇、熬制好的焦糖溶液按照体积比1:1:3的比例混合后过滤，过滤是使用0.3μm孔径的滤嘴进行过滤，滤液为掺杂Cl的前驱体溶液；
（2）将步骤（1）制得的掺杂Cl的前驱体溶液在石英片上进行旋涂，旋涂参数：以1000r/s的转速预涂3s，最后按照2200r/s的转速旋涂1min，制得旋涂片；
（3）将步骤（2）制得的旋涂片在恒温箱中，100℃干燥20min，然后将干燥的旋涂片置于真空炉中，真空度为5×10-1Pa的真空条件下，在600℃退火24h，得到Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯。
图5是本实施例制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的TEM图，从图中可知，掺杂石墨烯成膜质量良好，膜层较实施例2厚；图6是本实施例制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的拉曼光谱，从图中可发现D峰、G峰、2D峰三个石墨烯的特征峰，证实退火得到的物质为石墨烯薄膜；对本实施例制得的Cl掺杂石墨烯片对角面电阻进行表征测试，电阻为2kΩ，导电性能好，说明本发明制备得到的掺杂石墨烯薄膜可以进一步开发用于光电器件的电极。
图7是实施例1~3制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的吸收光谱，从图中可知，实施例1~3制备得到的Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯都有吸收峰，证实Cl掺杂改变了石墨烯的吸收带隙，其由于膜厚原因，实施例3的光吸收最好，说明本发明制备得到的掺杂石墨烯薄膜可以进一步开发用于光电器件的焦平面。

Claims (5)

1.一种Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）按照葡萄糖中的C和盐酸中的Cl的原子比为9~3:1的比例，将葡萄糖与盐酸混合，混合溶液在大气环境下、100~200℃搅拌熬制至溶液粘度为1×105~1×106厘泊，将去离子水、无水乙醇、熬制好的焦糖溶液按照体积比1:1:2~3的比例混合后过滤，滤液为掺杂Cl的前驱体溶液；
（2）将步骤（1）制得的掺杂Cl的前驱体溶液在石英片上进行旋涂，旋涂参数：以1000~1500r/s的转速预涂3s，然后按照2200~2800r/s的转速旋涂1min，制得旋涂片；
（3）将步骤（2）制得的旋涂片恒温干燥20~35min，然后将干燥的旋涂片置于真空条件下，在600~800℃退火20~24h，得到Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯薄膜；
步骤（1）所述搅拌是以1000-1500r/min的转速搅拌30~40min，然后以500-800r/min的转速搅拌30~40min，再以300r/min的转速搅拌至结束。
2.根据权利要求1所述Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述盐酸的浓度为1~2mol/L。
3.根据权利要求1所述Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述过滤是使用0.1~0.3μm孔径的滤嘴进行过滤。
4.根据权利要求1所述Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述干燥温度为80~100℃。
5.根据权利要求1所述Cl掺杂葡萄糖碳基石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述真空条件的真空度为2×10-1Pa~5×10-1Pa。
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