一种石墨烯纳米窄带及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及石墨烯，特别是涉及一种石墨烯纳米窄带及其制备方法和用途。

背景技术

碳素材料是材料领域的一个重要分支，从上世纪末到本世纪，在理论领域和技术领域里不断涌现出新型碳同素异形体和碳素新材料。20世纪80年代以前，人们知道的碳的同素异形体只有石墨、金刚石和无定形碳3种，20世纪80年代后接连发现了新的碳的同素异形体：富勒烯(碳60，C60)、碳纳米管和石墨烯。特别是2004年发现的石墨烯(Graphene)是一种碳元素的原子尺度上的二维平面晶体，打破了传统物理学的概念，形成了科学上的新理论和新技术，也为材料科学领域带来一种神奇的新材料。石墨烯是一种有许多奇异性质的物质，引发了物理和化学理论的发展，也引发了材料科学的革命性变革。石墨烯是碳的一种二维平面晶体，最初由三维的石墨晶体从纵向剥离，最终得到单层的石墨，即石墨烯。

石墨烯虽然有许多奇异的性质，但是作为单原子层的二维晶体，由于巨大的表面自由能，二维石墨烯处于不稳定状态，会自发叠合，恢复成石墨的三维多层结构，石墨烯优越的性质也随之消失。与石墨烯的平面二维晶体不同，石墨烯纳米窄带会自发卷成螺旋状，从而避免了面-面叠合，保持了石墨烯优良的性质。另外，石墨烯纳米窄带在电子学方面还有许多不同于石墨烯的新奇性质。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种石墨烯纳米窄带及其制备方法和用途，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过包括以下技术方案获得的。

本发明提供一种石墨烯纳米窄带的制备方法，包括如下步骤：

1)聚乙烯醇纳米丝膜制备：采用8wt％～15wt％的聚乙烯醇水溶液或聚乙烯醇乙醇溶液为纺丝液采用静电纺丝技术形成聚乙烯醇纳米纤维膜；

2)对聚乙烯醇纳米纤维膜碳化：在聚乙烯醇纳米纤维膜上添加催化剂，然后在惰性气体氛围和400～500℃下处理至少2h；然后酸洗，再水洗；

3)石墨化：在惰性气体氛围和1250～1350℃下处理至少3h。

根据上述所述的制备方法，所述聚乙烯醇纳米纤维膜的厚度为1nm～3.5nm。单层石墨烯的厚度约为0.35nm，本申请中聚乙烯醇纳米纤维膜的厚度大约是3～10层单层石墨烯的厚度。根据上述所述的制备方法，所述聚乙烯醇纳米纤维膜中纳米纤维的直径为100～800nm。

根据上述所述的制备方法，在400～500℃下处理3～5h。如处理3h、3.5h、4h、4.5h或5h。

根据上述所述的制备方法，在1250～1350℃下处理3～5h。如处理3h、3.5h、4h、4.5h或 5h。

根据上述所述的制备方法，石墨化中，采用刚玉管式炉处理。

根据上述所述的制备方法，石墨化中，以(3～10)℃/min的升温速率升温至400～500℃。如可以为400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃、480℃、490℃或500℃。

根据上述所述的制备方法，碳化中，以(3～10)℃/min的升温速率升温至1250～1350℃。如可以为1250℃、1260℃、1270℃、1280℃、1290℃、1300℃、1310℃、1320℃、1330℃、 1340℃或1350℃。

所述的升温速率为3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min或 10℃/min。

根据上述所述的制备方法，酸洗是采用体积浓度为5％～15％稀硫酸洗涤。稀硫酸的体积浓度可以为5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％和15％。

根据上述所述的制备方法，石墨化结束后以(3～10)℃/min的降温速率降温至500℃，然后自然降温至室温。

根据上述所述的制备方法，所述聚乙烯醇纳米纤维膜的制备方法包括：采用8wt％～15wt％的聚乙烯醇水溶液为纺丝液采用静电纺丝技术形成聚乙烯醇纳米纤维膜。

根据上述所述的制备方法，所述聚乙烯醇水溶液的浓度可以为8wt％、9wt％、10wt％、 11wt％、12wt％、13wt％、14wt％和15wt％。

根据上述所述的制备方法，所述静电纺丝技术中，采用如下技术参数：

电压为18～22kV；接收距离为8～15cm；纺丝液的挤出速度为(0.3～0.5)ml/h。

根据上述所述的制备方法，所述催化剂为过渡金属或过渡金属氧化物。优选地，所述催化剂为镍。

本发明还公开了如上述所述的制备方法形成的石墨烯纳米窄带。

本发明还公开了如上述所述的石墨烯纳米窄带在集成电路中作为导线的用途。

本发明上述所述的制备方法包括如下步骤：

第一、现有的二维石墨烯是sp

第二、现有的二维石墨烯的优越的力学性质，如超高的拉伸强度和弹性，是由原子尺度的单层石墨烯二维晶体体现的，由二维石墨烯制备宏观尺度的材料中单层石墨烯容易发生堆垛而恢复成石墨的结构，其优良性质也随之丧失；石墨烯纳米窄带的条带结构可卷曲成螺旋状，从而避免了平面堆垛的发生，可以保持其优良的物理性质。

第三、石墨烯纳米窄带是一种优良的碳纤维，多股螺旋状一维石墨烯可以纺成一维石墨烯线，进而织成一维石墨烯织物；多股螺旋状一维石墨烯还可以绞合成一维石墨烯缆绳，派生出更多的新材料，这些新材料既有超强的机械强度，又有超高的导电性。

第四、本发明上述技术方案形成的石墨烯纳米窄带具有的优良的单向导电性和导热性，避免了二维石墨烯的平面堆垛带来的稳定性差的缺陷，一维石墨烯容易制造成纤维、织物、缆绳、导线等材料，本申请中的石墨烯纳米窄带有希望在电子器件和电子线路制造领域，在机械制造领域，在材料科学、化学、物理学、生命科学和医药等诸多领域有诸多潜在的应用价值。

附图说明

图1显示为本发明的石墨烯纳米窄带结构的示意图之一。

图2显示为本发明的石墨烯纳米窄带的结构的示意图之二。

图3显示为静电纺丝装置的结构示意图。

图4显示为实施例1得到的石墨烯纳米窄带的XRD图谱。

图5是本发明实施例1得到的石墨烯纳米窄带的拉曼光谱图。

图6是本发明实施例1石墨烯纳米窄带的扫描电镜SEM图。

图7是本发明实施例2石墨烯纳米窄带的扫描电镜SEM图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。

此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

实施例1以聚乙烯醇为原料，应用本发明中技术方案，制备石墨烯纳米窄带。

步骤1：配制纺液

称取10克聚乙烯醇粉末，放于150ml容量瓶内，加入90克去离子水，盖上容量瓶塞，在40℃水浴锅内，电磁搅拌12小时，配制质量浓度10％的聚乙烯醇溶液。

步骤2：静电纺丝

用10ml注射器抽取10ml如上配制的纺液，装在静电纺丝机上，电纺机的体系温度设在 25℃，纺液推进速度设为0.4ml/h，接受距离为10cm，电压20KV，接收器转速120/分钟，用铝箔接受聚乙烯醇纳米丝膜，两只针同时喷射，持续25小时。更换铝箔和注射器，重复以上操作4次。用塑料器具把聚乙烯醇纳米丝膜从铝箔上刮下，放在刚玉坩埚内，约得9克聚乙烯醇纳米丝膜。图2是用静电纺丝技术制备高分子纳米丝膜的示意图。

步骤3：加催化剂

在聚乙烯醇纳米丝膜上均匀撒上2克还原镍粉。

步骤4：聚乙烯醇纳米丝膜的碳化

把装有聚乙烯醇纳米丝膜的刚玉坩埚放在刚玉管式炉内，抽真空到-0.1mPa，再充氮气至常压，在5ml/秒的氮气流中，以10℃/分钟的速率升温至450℃，保持4小时，完成碳化。

步骤5：酸洗

把碳化后的纳米丝膜用10％的稀硫酸洗涤三次，再用去离子水洗涤三次，在60℃烘箱内干燥4小时。

步骤6：石墨化

刚玉管式炉抽真空到-0.1mPa，再充氮气至常压，在5ml/秒的氮气流中，以10℃/分钟的速率升温至500℃，再以以5℃/分钟的速率升温至1300℃，保持4小时，完成碳化。以5℃/ 分钟的速率降温至500℃，然后自然降温至室温。

所得石墨烯纳米窄带用以下方法检测。

步骤7：XRD测试，测试结果如图4所示。

步骤8：Raman测试，测试结果如图5所示。

步骤9：SEM测试，测试结果如图6所示。

实施例2

实施例2以聚苯乙烯为原料，应用本发明的技术方案，制备石墨烯纳米窄带。

步骤1：配制纺液

称取10克聚苯乙烯颗粒(美国Aldrich公司，分子量M＝230000)，放于150ml容量瓶内，加入90克DMF溶剂(N,N-二甲基甲酰胺胺，分析纯，天泰化学公司)，盖上容量瓶塞，在 40℃水浴锅内，电磁搅拌12小时，配制质量浓度10％的聚苯乙烯溶液。

步骤2：静电纺丝

用10ml注射器抽取10ml如上配制的纺液，装在静电纺丝机上，电纺机的体系温度设在 25℃，纺液推进速度设为0.4ml/h，接受距离为10cm，电压20KV，接收器转速120/分钟，用铝箔接受聚苯乙烯纳米丝膜，两只针同时喷射，持续25小时。更换铝箔和注射器，重复以上操作4次。用塑料器具把聚苯乙烯纳米丝膜从铝箔上刮下，放在刚玉坩埚内，约得9克聚苯乙烯纳米丝膜。图2是用静电纺丝技术制备高分子纳米丝膜的示意图。

步骤3：加催化剂

聚苯乙烯仅含碳、氢两种元素，在较高温度下可充分分解，在本例中不加催化剂。

步骤4：聚苯乙烯纳米丝膜的碳化

把装有聚苯乙烯纳米丝膜的刚玉坩埚放在刚玉管式炉内，抽真空到-0.1mPa，再充氮气至常压，在5ml/秒的氮气流中，以10℃/分钟的速率升温至450℃，再以5℃/分钟的速率升温至800℃保持4小时，完成碳化。

步骤5：酸洗

由于没有加催化剂，因此不需要酸洗。

步骤6：石墨化

在步骤4的刚玉管式炉里继续进行石墨化处理，以5℃/分钟的速率，从800℃升温至 1300℃，保持4小时，完成碳化。以5℃/分钟的速率降温至500℃，然后自然降温至室温。

所得石墨烯纳米窄带用以下方法检测。

步骤7：XRD光谱测试

步骤8：拉曼光谱测试

步骤9：扫描电镜图观测，如图7所示。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。