一種利用電爆炸制備氮摻雜石墨烯材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用電爆炸制備氮摻雜石墨烯材料的方法，屬于工藝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯是一種由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)新材料。石墨 烯的發(fā)現(xiàn)宣告了真正意義上獨(dú)立存在的二維材料，石墨烯吸光率僅為2. 3% ;導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 5300W/m?K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子迀移率超過15000cm2/V?s，而電阻率只 約KT6Q?cm，比銅或銀更低，為電阻率最小的材料。由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電 學(xué)性能等，使其在物理學(xué)、化學(xué)、微電子學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和較高的應(yīng)用價值。
[0003] 石墨烯的高機(jī)械強(qiáng)度，使其能夠用于微機(jī)電和納機(jī)電系統(tǒng)期間的制造，在宏觀領(lǐng) 域在超輕防彈衣、超薄超輕型飛機(jī)材料等，也有著無與倫比的優(yōu)勢。此外，石墨烯減小到納 米尺度甚至單個苯環(huán)同樣保持很好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能，使探索單電子器件成為可能。由 于石墨烯鋸齒形邊緣態(tài)的存在，使石墨烯納米帶有望成為納米子軒電子學(xué)中的基本組件， 實(shí)現(xiàn)納米電子器件的功能。
[0004] 傳統(tǒng)石墨烯制備方法主要有：機(jī)械剝離法、化學(xué)氧化法、晶體外延生長法、化學(xué)氣 相沉積法、溶劑剝離法。機(jī)械剝離法通過實(shí)驗(yàn)用膠帶反復(fù)剝離的方式獲得單層石墨烯，具有 較高的質(zhì)量，但存在產(chǎn)率低和成本高的不足，不滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求。化學(xué)氧化法通過合成 氧化石墨烯后通過還原氧化石墨烯得到石墨烯薄膜，這種方法工藝簡單、成本低廉，但制備 出的石墨烯質(zhì)量較低。晶體外延生長法指通過加熱單晶SiC脫除Si，從而得到在SiC表面 外延的石墨條。這種方法條件苛刻（尚溫、尚真空）、且制造的石墨條不易以從襯底上分尚 出來，難以能成為大量制造石墨烯的方法?；瘜W(xué)氣相沉積是反應(yīng)物質(zhì)在相當(dāng)高的溫度、氣態(tài) 條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得石墨烯薄膜 的工藝技術(shù)?；瘜W(xué)氣相沉積法可滿足規(guī)模化制備高質(zhì)量、大面積石墨烯的要求，但現(xiàn)階段成 本較高、工藝復(fù)雜。溶劑剝離法的原理是將少量的石墨分散于溶劑中，形成低濃度的分散 液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力，進(jìn)行層層剝離，制備出石墨烯。此種方法 與插層剝離類似，產(chǎn)物中單層率不高，且長時間超聲可能會破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)，所得的片層 尺寸也較小。綜上，對于石墨烯制備方面，目前沒有一種制備方法足夠成熟，可應(yīng)用于低成 本的大規(guī)模生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種利用電爆炸制備氮摻雜石墨烯材料的方 法，所述方法生產(chǎn)要求低，工藝控制簡單，無需進(jìn)行復(fù)雜的工藝控制即可獲得結(jié)晶性好的石 墨稀粉體。
[0006] 其中，電爆炸是指在一定的介質(zhì)（不同氣體、液體）中或真空條件下，通過大電容 高壓放電，使極高的電流通過金屬、非金屬細(xì)絲，歐姆加熱效應(yīng)使足夠大的能量在絲或箔內(nèi) 迅速積聚，使絲發(fā)生相變，發(fā)生爆炸聲和閃光等復(fù)雜的物理過程。強(qiáng)大的電流使導(dǎo)體熔化、 汽化、膨脹形成沖擊波且伴隨等離子態(tài)氣體團(tuán)的形成和擴(kuò)散，具有較強(qiáng)的力、光、熱、電磁等 效應(yīng)。
[0007] 本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種利用電爆炸制備氮摻雜石墨烯材料的方法，所述方法具體步驟如下：
[0009] (1)調(diào)節(jié)電爆炸系統(tǒng)中電爆炸罐上兩個電極的間距至50mm±0. 5mm;通過電極夾 頭將純度大于等于99. 9%的石墨棒固定于所述電極之間；
[0010] (2)向電爆炸罐中加入氮源溶液，通過罐蓋將電爆炸罐密封；其中，氮源溶液的添 加量為沒過電極2~3cm;
[0011] (3)向電爆炸系統(tǒng)中的高壓電容組充電，使高壓電容組的電壓達(dá)18~24kV，啟動 電爆炸系統(tǒng)，進(jìn)行放電；
[0012] (4)待高壓電容組的電壓為OkV時，打開電爆炸罐，收集電爆炸罐內(nèi)的懸濁液；
[0013] (5)將懸濁液進(jìn)行超聲分散處理后，靜置使懸濁液中的石墨顆粒充分沉降，過濾， 取濾液進(jìn)行觀察；若在濾液中通過肉眼能觀察到石墨顆粒，則重復(fù)進(jìn)行靜置和過濾處理； 若在濾液中通過肉眼不能觀察到石墨顆粒，則進(jìn)入步驟（6);
[0014] (6)向?yàn)V液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鹽酸，于50~70°C下反應(yīng)5~15h，過濾， 得到固體a;用去離子水洗絳固體a至pH= 7,于-50~-55°C下真空干燥24~48h，得到 本發(fā)明所述氮摻雜石墨烯材料；所述濾液與鹽酸的體積比為1:2~4。
[0015] 其中，步驟（1)所述電爆炸系統(tǒng)主要包括充電電源、高壓電容組和電爆炸罐；所述 充電電源、高壓電容組和電爆炸罐通過線纜依次連接；其中，所述高壓電容組的電容值為 78. 8yF，電壓在10~30kV內(nèi)連續(xù)可調(diào)；所述電爆炸罐主要包括進(jìn)氣閥、排氣閥、罐蓋、電爆 炸罐本體、絕緣耐高溫尼龍塊、固定銷、電極、固定接頭、電極夾頭，以及外圍設(shè)備真空泵；其 中，所述電爆炸罐本體上部設(shè)有可拆卸的罐蓋，兩者之間設(shè)有密封圈；在罐蓋上設(shè)有進(jìn)氣閥 和排氣閥；兩根電極分別通過絕緣耐高溫尼龍塊和固定銷相對安裝在電爆炸罐本體上，所 述電極穿過電爆炸罐本體，一端位于電爆炸罐本體內(nèi)部，另一端位于電爆炸罐本體外部；通 過固定接頭將電極夾頭安裝在電極位于電爆炸罐本體內(nèi)部的一端；真空泵通過排氣閥與電 爆炸罐連接；
[0016] 所述電爆炸罐本體的壁厚為20mm，內(nèi)徑為? 120mm，深為150mm，構(gòu)成材料為不銹 鋼；
[0017] 步驟（1)所述石墨棒尺寸為：直徑(63. 5_，長度55±0. 5mm;
[0018] 步驟（2)所述氮源溶液優(yōu)選水合肼溶液、硝酸銨溶液和六亞甲基四胺溶液中的一 種；其中，水合肼溶液中水合肼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選10~30%，硝酸銨溶液和六亞甲基四胺溶 液的濃度均優(yōu)選50~150g/L;
[0019] 步驟（5)所述超聲分散參數(shù)為：超聲波發(fā)生器功率優(yōu)選100W，超聲時間優(yōu)選Ih; 所述靜置時間優(yōu)選20~30h;
[0020] 有益效果
[0021] (1)本發(fā)明所述方法對生產(chǎn)要求低，工藝控制簡單，無需進(jìn)行復(fù)雜的工藝控制，所 述方法制備得到的氮摻雜石墨烯材料結(jié)晶性好，石墨烯分子層數(shù)僅為3~6層，且所述石墨 烯材料中含有足量的氮元素，屬于氮摻雜寡層石墨烯。
[0022] (2)本發(fā)明所述方法生產(chǎn)成本低，采用的電爆炸罐無需采用特種鋼材或其他有色 金屬合金材料，便于加工，且原料易得。
【附圖說明】
[0023] 圖1為以下實(shí)施例中采用的電爆炸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為以下實(shí)施例中采用的電爆炸罐的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為實(shí)施例1中制備得到的氮摻雜石墨烯材料的拉曼光譜圖；
[0026]圖4為實(shí)施例1中制備得到的氮摻雜石墨烯材料的掃描電鏡照片；
[0027]圖5為實(shí)施例1中制備得到的氮摻雜石墨烯材料的透射電鏡照片；
[0028]圖6為實(shí)施例1中制備得到的氮摻雜石墨烯材料的高分辨透射電鏡照片；
[0029]圖7為實(shí)施例1中制備得到的氮摻雜石墨烯材料的X光電子能譜圖；
[0030] 其中，1-進(jìn)氣閥、2-排氣閥、3-罐蓋、4-電爆炸罐本體、5-固定銷、6-絕緣耐高溫 尼龍塊、7-電極、8-固定接頭、9-電極夾頭、10-充電電源、11-高壓電容組、12-電爆炸罐。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來詳述本發(fā)明，但不限于此。
[0032] 以下實(shí)施例中提到的主要試劑信息見表1 ;主要儀器與設(shè)備信息見表2。
[0033]表1
[0037] 以下實(shí)施例中采用的電爆炸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要包括充電電源 10、高壓電容組11和電爆炸罐12 ;所述充電電源10、高壓電容組11和電爆炸罐12通過線 纜依次連接；其中，所述高壓電容組11的電容值為78. 8yF，電壓在10~30kV內(nèi)連續(xù)可調(diào)； 所述電爆炸罐12包括進(jìn)氣閥1、排氣閥2、罐蓋3、電爆炸罐本體4、絕緣耐高溫尼龍塊6、固 定銷5、電極7、固定接頭8、電極夾頭9,以及外圍設(shè)備真空泵。其中，所述電爆炸罐本體4 上部設(shè)有可拆卸的罐蓋3,兩者之間設(shè)有密封圈；在罐蓋3上設(shè)有進(jìn)氣閥1和排氣閥2 ;兩 根電極7分別通過絕緣耐高溫尼龍塊6和固定銷5相對安裝在電爆炸罐本體4上，所述電 極7穿過電爆炸罐本體4, 一端位于電爆炸罐本體4內(nèi)部，另一端位于電爆炸罐本體4外部； 通過固定接頭8將電極夾頭9安裝在電極7位于電爆炸罐本體4內(nèi)部的一端；真空泵通過 排氣閥2與所述電爆炸罐連接。
[0038] 所述電爆炸罐本體為不銹鋼材質(zhì)，壁厚20mm，內(nèi)徑?120mm，深150mm。
[0039] 實(shí)施例I
[0040] 一種利用電爆炸制備氮摻雜石墨烯材料的方法，所述方法具體步驟如下：
[0041] (1)組裝和調(diào)試電爆炸系統(tǒng)，使電爆炸罐上的兩個電極的間距為50mm±0. 5mm; 選取純度為99. 9%，直徑為?3. 5mm的石墨棒進(jìn)行截取，并磨平端面，獲得尺寸為 (63. 5mmX50mm±0. 5mm的石墨棒；通過電極夾頭將所述石墨棒固定于兩電極之間；
[0042] (2)用無水乙醇清潔電爆炸罐，并用熱風(fēng)機(jī)吹干；向電爆炸罐