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一種硼摻雜石墨烯的制備方法

文檔序號:10676902閱讀:2166來源:國知局
一種硼摻雜石墨烯的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種硼摻雜石墨烯的制備方法,所述方法包括向冰浴四氫呋喃溶劑中通氮氣,加入碘單質(zhì)和硼氫化鈉混合攪拌2?4小時得到混合液;將氧化石墨烯用超聲分散在四氫呋喃溶劑中,再將其加入至前述混合液中,25℃?120℃繼續(xù)反應(yīng)2?6天。停止反應(yīng)后,常壓過濾,抽濾,依次用四氫呋喃和水洗滌數(shù)次,最后冷凍干燥,得到硼摻雜量在1.5%?3.5%的摻雜石墨烯。本發(fā)明通過采用硼氫化鈉作為硼源制得硼摻雜石墨烯材料,方法步驟簡單,生長周期短,原料來源廣泛且價格便宜,生產(chǎn)成本低,能夠規(guī)?;a(chǎn)并且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
【專利說明】
一種硼摻雜石墨烯的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及石墨烯加工領(lǐng)域,更具體地涉及一種硼摻雜石墨烯的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯有優(yōu)異的機(jī)械性能、導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能,在很多方面起著無可替代的作 用,但其本身在很多聚合物中的溶解性較差,在基體中的分散性也有待提高,為了提高石墨 烯在多種情況下的應(yīng)用范圍,需要對其進(jìn)行改性,調(diào)變其性能和結(jié)構(gòu)。研究表明,在石墨烯 中摻雜其它元素可改善石墨烯的物理性能和電化學(xué)性能。由于硼原子具有較強(qiáng)的吸電子能 力,可以取代部分碳原子并且不改變石墨烯的結(jié)構(gòu),所以硼摻雜石墨烯在鋰離子電池、催化 等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。對于石墨烯來說,硼是一種非常合適的摻雜物質(zhì)。硼的原子半徑很 接近碳原子,摻雜后石墨烯不會出現(xiàn)很大的結(jié)構(gòu)畸變;硼原子比碳原子少1個電子,通過硼 的摻雜可以實現(xiàn)石墨烯由半金屬向半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)化,使石墨烯成為P型半導(dǎo)體。更為重要的 是,硼的摻入可以有效地改變石墨烯的電學(xué)性質(zhì),有利于制備出不同性能的優(yōu)異電子器件。 現(xiàn)有的方法中,CVD和熱退火法使用硼酸和三氧化二硼作為硼源,需要較高的反應(yīng)溫度,而 溫度較低的溶液法使用硼烷四氫呋喃作為硼源,雖然反應(yīng)溫度較低,但是硼源價格較高,不 適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種低成本、低溫硼摻雜石墨烯的制備方法。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0005] -種硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:向冰浴四氫呋喃溶劑中通氮氣,將碘 單質(zhì)和硼氫化鈉按一定比例混合,將混合物加入到冰浴四氫呋喃溶劑中,充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)2-4 小時得到混合液;將足量的石墨烯四氫呋喃溶液加入至碘-硼氫化鈉反應(yīng)混合液中,加熱至 25°C-120°C下繼續(xù)反應(yīng)2-6天,待反應(yīng)結(jié)束后,常壓過濾,抽濾,依次用四氫呋喃和水洗滌數(shù) 次,干燥,得到硼摻雜石墨烯材料。所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:所用碘單 質(zhì)和硼氫化鈉的質(zhì)量比為1:2-3,硼氫化鈉過量反應(yīng)。
[0006] 所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:碘單質(zhì)和硼氫化鈉的反應(yīng)時間為 2.5小時。
[0007] 所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:所用碘單質(zhì)和硼氫化鈉的質(zhì)量比 為 1:2〇
[0008] 所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:氧化石墨烯/四氫呋喃分散液的濃 度為 0 · 5-1 · 5mg/mL。
[0009] 所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:氧化石墨烯/四氫呋喃分散液的濃 度為 lmg/mL。
[0010] 所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:將足量的石墨烯四氫呋喃溶液加 入至碘-硼氫化鈉反應(yīng)混合液中加熱反應(yīng),加熱的最佳反應(yīng)溫度100 °C,最佳反應(yīng)時間4天。
[0011] 所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:最終產(chǎn)物的干燥方式為冷凍干燥。
[0012] 本發(fā)明方法所獲得的石墨烯硼摻雜量為3.5%。
[0013] 本發(fā)明涉及硼摻雜石墨烯的制備方法,本發(fā)明方法通過一步溶液法獲得硼摻雜石 墨烯。本發(fā)明的方法包括:向冰浴四氫呋喃溶劑中通氮氣,加入碘單質(zhì)和硼氫化鈉混合攪拌 2-4小時得到混合液;將氧化石墨烯用超聲分散在四氫呋喃溶劑中,再將其加入至前述混合 液中,25°C-120°C繼續(xù)反應(yīng)2-6天。待反應(yīng)結(jié)束后,常壓過濾,抽濾,用四氫呋喃洗滌數(shù)次,最 后干燥。
[0014] 所述硼氫化鈉和碘單質(zhì)物質(zhì)量的比為1:2和1:3,特別優(yōu)選為1:2。
[0015]在一個優(yōu)選實施方式中,所述氧化石墨烯/四氫呋喃分散液的濃度為0.5-1.5mg/ mL,特別優(yōu)選為lmg/mL。
[0016] 在一個優(yōu)選實施方式中,所述加熱的溫度為25°c-120°c,特別優(yōu)選為100°C。
[0017] 在一個優(yōu)選實施方式中,所述繼續(xù)反應(yīng)的時間為2-6天,特別優(yōu)選為4天。
[0018] 在一個優(yōu)選實施方式中,所述的干燥方式為真空加熱干燥、常壓加熱干燥和冷凍 干燥,特別優(yōu)選為冷凍干燥。
[0019] 有益效果:
[0020] 本發(fā)明通過采用一步溶液法制備硼摻雜石墨烯,通過改變反應(yīng)溫度和時間得到不 同的硼摻雜比例,而且本發(fā)明方法步驟簡單,生長周期短,原料價格便宜,生產(chǎn)成本低,可順 利接入已有產(chǎn)業(yè)規(guī)劃及生產(chǎn)。此外,制得的產(chǎn)品在光電器件、光催化、生物傳感、燃料電池、 鋰離子電池等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的前景。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明實施例1制備的硼摻雜石墨烯的透射電鏡圖;
[0022] 圖2為本發(fā)明實施例1制備的硼摻雜石墨烯的X-射線光電子能譜圖;
[0023] 圖3為本發(fā)明實施例1制備的硼摻雜石墨烯的拉曼掃描圖譜;
[0024] 圖4為本發(fā)明實施例2制備的硼摻雜石墨烯的X-射線光電子能譜圖;
[0025] 圖5為本發(fā)明實施例3制備的硼摻雜石墨烯的X-射線光電子能譜圖;
[0026] 圖6為本發(fā)明實施例4制備的硼摻雜石墨烯的X-射線光電子能譜圖;
[0027] 圖7為本發(fā)明實施例5制備的硼摻雜石墨烯的X-射線光電子能譜圖;
[0028] 圖8為本發(fā)明實施例6制備的硼摻雜石墨烯的X-射線光電子能譜圖。
【具體實施方式】
[0029]以下將通過實施例的方式進(jìn)一步描述本發(fā)明,但應(yīng)理解,這些實施例僅用于舉例 說明本發(fā)明的目的而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0030] 實施例1
[0031 ] -種硼摻雜石墨烯的制備方法,具體步驟如下:
[0032]向冰浴四氫呋喃溶劑中通氮氣,加入碘單質(zhì)和硼氫化鈉以物質(zhì)量比為1: 2的比例 混合攪拌2.5小時得到混合液;將2倍于硼氫化鈉質(zhì)量的單層氧化石墨烯用超聲分散在四氫 呋喃溶劑中,濃度為lmg/mL,再將其加入至前述混合液中,此時溶液呈現(xiàn)深棕色,100°C繼續(xù) 反應(yīng)4天,溶液顏色呈黑色后,常壓過濾,抽濾,用四氫呋喃洗滌數(shù)次,最后冷凍干燥。
[0033]對所獲得的產(chǎn)物進(jìn)行透射電鏡研究,其中本實施例1制備的硼摻雜石墨烯的透射 電鏡圖如圖1所示。從圖1可以清楚地看到,本實施例1硼摻雜氧化石墨烯依然保持著原始氧 化石墨烯的超薄二維層狀結(jié)構(gòu),但是有較多的折疊和彎曲。這可能是由于在硼摻雜的過程 中,產(chǎn)生了硼的缺電子中心,在庫侖斥力的作用下,平整的二維層狀結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲和折疊, 另一方面,硼原子的引入使石墨烯產(chǎn)生了更多的缺陷位點,在表面張力的作用下,碳片層會 更多的彎曲和折疊。圖2是實施例1獲得的硼摻雜石墨烯的XPS譜圖,192eV對應(yīng)的是B的Is 峰,說明硼摻雜氧化石墨烯中硼成功地?fù)诫s進(jìn)石墨烯中,且摻雜量是3.5% (見表1)。圖3是 實施例1硼摻雜石墨烯的拉曼光譜,由于硼原子的摻雜,硼摻雜氧化石墨烯表面產(chǎn)生了更多 的活性位點,計算得到硼摻雜氧化石墨稀Id/Ig=1 .18,高于氧化石墨稀的Id/Ig(1 .14)。 [0034] 實施例2
[0035] 向冰浴四氫呋喃溶劑中通氮氣,加入碘單質(zhì)和硼氫化鈉以物質(zhì)量比為1: 2的比例 混合攪拌2.5小時得到混合液;將3倍于硼氫化鈉質(zhì)量的單層氧化石墨烯用超聲分散在四氫 呋喃溶劑中,濃度為1.5mg/mL,再將其加入至前述混合液中,此時溶液呈現(xiàn)深棕色,100°C繼 續(xù)反應(yīng)4天。當(dāng)溶液顏色呈黑色后,常壓過濾,抽濾,用四氫呋喃洗滌數(shù)次,最后冷凍干燥。通 過XPS光譜(圖4)說明硼成功的摻雜進(jìn)石墨烯中,且摻雜量是2.95%。
[0036] 實施例3
[0037] 向冰浴四氫呋喃溶劑中通氮氣,加入碘單質(zhì)和硼氫化鈉以物質(zhì)量比為1: 2的比例 混合攪拌2.5小時得到混合液;將2倍于硼氫化鈉質(zhì)量的單層氧化石墨烯用超聲分散在四氫 呋喃溶劑中,濃度為1 .〇mg/mL,再將其加入至前述混合液中,此時溶液呈現(xiàn)深棕色,25°C繼 續(xù)反應(yīng)4天。隨后,常壓過濾,抽濾,用四氫呋喃洗滌數(shù)次,最后冷凍干燥。圖5是實施例3獲得 的硼摻雜石墨烯的XPS譜圖,說明硼摻雜氧化石墨烯中成功的摻雜進(jìn)石墨烯中,且摻雜量是 1.57%。
[0038] 實施例4
[0039] 向冰浴四氫呋喃溶劑中通氮氣,加入碘單質(zhì)和硼氫化鈉以物質(zhì)量比為1: 2的比例 混合攪拌2.5小時得到混合液;將2倍于硼氫化鈉質(zhì)量的單層氧化石墨烯用超聲分散在四氫 呋喃溶劑中,濃度為1 .Omg/mL,再將其加入至前述混合液中,此時溶液呈現(xiàn)深棕色,60°C繼 續(xù)反應(yīng)4天,溶液呈現(xiàn)深灰色。待反應(yīng)結(jié)束后,常壓過濾,抽濾,用四氫呋喃洗滌數(shù)次,最后冷 凍干燥。圖6是實施例4獲得的硼摻雜石墨烯的XPS譜圖,說明硼摻雜氧化石墨烯中成功的摻 雜進(jìn)石墨烯中,且摻雜量是1.82%。
[0040] 實施例5
[0041 ]向冰浴四氫呋喃溶劑中通氮氣,加入碘單質(zhì)和硼氫化鈉以物質(zhì)量比為1: 2的比例 混合攪拌2.5小時得到混合液;將2倍于硼氫化鈉質(zhì)量的單層氧化石墨烯用超聲分散在四氫 呋喃溶劑中,濃度為1 .Omg/mL,再將其加入至前述混合液中,100°C繼續(xù)反應(yīng)2天,溶液呈現(xiàn) 深灰色。待反應(yīng)結(jié)束后,常壓過濾,抽濾,用四氫呋喃洗滌數(shù)次,最后冷凍干燥。圖7是實施例 5獲得的硼摻雜石墨烯的XPS譜圖,說明硼摻雜氧化石墨烯中成功的摻雜進(jìn)石墨烯中,且摻 雜量是2.02%。
[0042] 實施例6
[0043] 向冰浴四氫呋喃溶劑中通氮氣,加入碘單質(zhì)和硼氫化鈉以物質(zhì)量比為1: 2的比例 混合攪拌2小時得到混合液;將2倍于硼氫化鈉質(zhì)量的單層氧化石墨烯用超聲分散在四氫呋 喃溶劑中,濃度為1 .Omg/mL,再將其加入至前述混合液中,100°C繼續(xù)反應(yīng)2天,溶液呈現(xiàn)深 灰色。待反應(yīng)結(jié)束后,常壓過濾,抽濾,用四氫呋喃洗滌數(shù)次,最后冷凍干燥。圖7是實施例5 獲得的硼摻雜石墨烯的XPS譜圖,說明硼摻雜氧化石墨烯中成功的摻雜進(jìn)石墨烯中,且摻雜 量是1.97%。
[0044] 實施例1獲得的硼摻雜石墨烯成品中各組分的百分含量見表1。
[0045] 表 1
[0047]由表1可以說明硼摻雜氧化石墨烯中硼成功地?fù)诫s進(jìn)石墨烯中,且摻雜量是 3.5%〇
【主權(quán)項】
1. 一種硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:向冰浴四氫呋喃溶劑中通氮氣,將碘單 質(zhì)和硼氫化鈉按一定比例混合,將混合物加入到冰浴四氫呋喃溶劑中,充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)2-4小 時得到混合液;將足量的石墨烯四氫呋喃溶液加入至碘-硼氫化鈉反應(yīng)混合液中,加熱至25 °C-120°C下繼續(xù)反應(yīng)2-6天,待反應(yīng)結(jié)束后,常壓過濾,抽濾,依次用四氫呋喃和水洗滌數(shù) 次,干燥,得到硼摻雜石墨烯材料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于,所用碘單質(zhì)和硼氫化 鈉的質(zhì)量比為1:2-3,硼氫化鈉過量反應(yīng)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:碘單質(zhì)和硼氫化鈉的 反應(yīng)時間為2.5小時。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于,所用碘單質(zhì)和硼氫化 鈉的質(zhì)量比為1:2。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:氧化石墨烯/四氫呋 喃分散液的濃度為0 · 5-1 · 5 mg/mL。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:氧化石墨烯/四氫呋 喃分散液的濃度為1 mg/mL。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:將足量的石墨烯四氫 呋喃溶液加入至碘-硼氫化鈉反應(yīng)混合液中加熱反應(yīng),加熱的最佳反應(yīng)溫度l〇〇°C,最佳反 應(yīng)時間4天。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼摻雜石墨烯的制備方法,其特征在于:最終產(chǎn)物的干燥方式 為冷凍干燥。
【文檔編號】C01B31/04GK106044748SQ201610319660
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】徐穎, 曹晏, 李亞飛, 李昂, 周小雄, 潘馭, 潘馭一
【申請人】安徽大學(xué)
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