專利名稱：一種二維納米石墨烯的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種二維納米石墨烯的制備方法。
背景技術(shù)：
在新材料的研發(fā)過程中，維度已成為調(diào)制物質(zhì)結(jié)構(gòu)和特性的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)材料由三維結(jié)構(gòu)變到二維、一維和零維時(shí)，其幾何結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性將發(fā)生顯著的變化。二維納米材料因具有各向異性和獨(dú)特的光電性能而被廣泛地應(yīng)用在固態(tài)納米器件、傳感及功能薄膜等眾多領(lǐng)域。特別是高定向石墨碳001面對(duì)放射線獨(dú)特的抵抗能力，可望用于醫(yī)用低能中子抗輻射材料，X-Ray單色儀抗輻射材料以及核熔融反應(yīng)器的抗輻射材料，它將成為先進(jìn)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的一種新型抗輻射材料。作為二維材料，一般厚度方向?yàn)閱卧訉踊螂p原子層碳原子。石墨烯的發(fā)現(xiàn)打 破了二維單層原子晶體不可能存在的理論推斷，引發(fā)了目前人們對(duì)二維單原子層材料的研究熱潮。這不僅成為納米科學(xué)領(lǐng)域中產(chǎn)生新知識(shí)的重要源頭之一，而且為研制高性能功能納米材料和器件提供了契機(jī)。目前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一是對(duì)單原子層材料進(jìn)行功能化修飾。隨著研究的深入，對(duì)二維納米材料的需求量也逐步增加，急需簡(jiǎn)單易行的合成方法。但是由于二維納米材料表面自由能較高，在制備過程中往往采用非常規(guī)的方法，比如用CVD法可以制備出高質(zhì)量大面積的石墨烯二維納米材料，但是理想的基片材料單晶鎳的價(jià)格太昂貴，這是影響石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的重要因素，另外還有成本較高，工藝復(fù)雜。另外還有氧化-還原法，其缺點(diǎn)是宏量制備容易帶來廢液污染和制備的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五元環(huán)、七元環(huán)等拓?fù)淙毕莼虼嬖?OH基團(tuán)的結(jié)構(gòu)缺陷，這些將導(dǎo)致石墨烯部分電學(xué)性能的損失，使石墨烯的應(yīng)用受到限制。層狀雙輕基復(fù)合金屬氧化物(Layered Double Hydroxides,簡(jiǎn)稱LDH),又稱水滑石，是一類重要的無機(jī)功能材料。其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)及層板元素和層間陰離子的可調(diào)變性受到人們的廣泛關(guān)注，經(jīng)離子交換向?qū)娱g引入新的客體陰離子可使層狀結(jié)構(gòu)和組成產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因而可以制備一大類具有特殊性質(zhì)的功能材料。水滑石材料屬于陰離子型層狀化合物。層狀化合物是指具有層狀結(jié)構(gòu)、層間離子具有可交換性的一類化合物，利用層狀化合物主體在強(qiáng)極性分子作用下所具有的可插層性和層間離子的可交換性，將一些功能性客體物質(zhì)引入層間空隙并將層板距離撐開從而形成層柱化合物。水滑石化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為[M2YxM3+X(OH)2]χ+ [(Αη_ )χ/η·πιΗ20]，其中M2+為Mg2+，Ni2+，Mn2+，Zn2+，Ca2+，F(xiàn)e2+，Cu2+ 等二價(jià)金屬陽離子；M3+ 為 Al3+，Cr3+，F(xiàn)e3+，Co3+ 等三價(jià)金屬陽離子；A11—為陰離子，如⑶廣，NO3' CF, OH—，S042—，PO,，C6H4 (COO) 22-等無機(jī)和有機(jī)離子以及絡(luò)合離子，當(dāng)層間無機(jī)陰離子不同，水滑石的層間距不同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)中制備工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴等的不足，提供一種二維納米石墨烯的制備方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是依次包括如下步驟1)將丙烯酸和水按體積比為I :Γ1 :2混合，按照每克水滑石對(duì)應(yīng):Γ5_ο1丙烯酸的量，將過20-50目篩的水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，在6(T70°C恒溫?cái)嚢?飛h，老化12 24 h后將顆粒物分離，用去離子水洗2 3遍后加入到濃度為59TlO%的異丙醇溶液中，每克水滑石對(duì)應(yīng)異丙醇溶液為5 10毫升，攪拌2 3 h，再加入過硫酸銨引發(fā)丙烯酸聚合，每克水滑石對(duì)應(yīng)的過硫酸銨的量為5 15mmol，加熱到6(T90°C，反應(yīng)8 10 h，用去離子水洗2 3遍，7(T90°C烘干，研磨，過20 40目篩得到粉末；2)將得到的粉末放入真空管式爐中，在真空條件下加熱到60(T70(TC，真空煅燒2 4 h，冷卻至室溫；3)將煅燒后的粉末加入到濃度為20°/Γ40%的鹽酸溶液中，每克粉末對(duì)應(yīng)5 10毫升酸溶液，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌3 4 h，沉淀分離，烘干；4)將得到的產(chǎn)物在真空條件下，加熱到200(Γ2500 ，經(jīng)熱處理3飛h，冷卻后即得二維納米石墨烯。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
I.制備該納米材料來源簡(jiǎn)單，從丙烯酸等簡(jiǎn)單有機(jī)物開始，經(jīng)過聚合、碳化、剝離可以制得具有納米尺度的片層碳材料。
2.利用水滑石的特殊結(jié)構(gòu)，通過陰離子交換作用在其層間插入聚合單體，并在層間有限的空間內(nèi)聚合，確保聚合物在是以一層或二層的單分子分散，在60(T70(TC當(dāng)碳化后形成二維聚合芳香分子。3.碳化后的材料在經(jīng)過酸洗之后，水滑石本身的結(jié)構(gòu)被破壞，鎂鋁氧化物被酸溶解，層間的炭質(zhì)材料自然剝離，過程簡(jiǎn)單、溫和。4.熱處理后的石墨烯仍可以保持原有的層間厚度。
具體實(shí)施例方式將丙烯酸和水按體積比為I :廣1 2的比例混合，按照每克水滑石對(duì)應(yīng):T5mm0l丙烯酸的量，將過20-50目篩的水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，在6(T7(TC恒溫?cái)嚢?飛h，老化12 24 h，得到顆粒物，再將該顆粒物分離，去離子水洗2 3遍后，加入到濃度為59TlO%的異丙醇溶液中，用于調(diào)節(jié)水滑石層間的有機(jī)物含量，每克水滑石對(duì)應(yīng)異丙醇溶液為5 10毫升，攪拌2 3 h，再加入過硫酸銨引發(fā)丙烯酸聚合，每克水滑石對(duì)應(yīng)的過硫酸銨的量為5 15 mmol，加熱到6(T90°C，反應(yīng)8 10 h，用去離子水洗2 3遍，7(T90°C烘干，研磨，過2(Γ40目篩得到粉末，在該過程中，將丙烯酸先通過陰離子交換，引入水滑石層間，再通過引發(fā)劑引發(fā)聚會(huì)，得到聚丙烯酸。將得到的粉末放入真空管式爐中，在真空條件下加熱到60(T700°C，真空煅燒2 4h，冷卻至室溫，該過程中水滑石層間的聚丙烯酸碳化。將煅燒后的粉末加入到濃度為20°/Γ40%的鹽酸溶液中，每克粉末對(duì)應(yīng)5 10毫升酸溶液，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌3 4 h，沉淀分離，烘干，該過程中用酸將水滑石的金屬氧化物片層溶解，得到碳層。將得到的產(chǎn)品在真空條件下，加熱到200(Γ2500 ，經(jīng)熱處理:Te h，冷卻后即得二
維納米石墨烯。所采用的水滑石可以是市售的商品，也可以根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制備，其制備技術(shù)是眾所周知的。水滑石化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為[M2YxM3+X (OH)2]x+ [(An- )χ/η·πιΗ20]，其中M2+為Mg2+，Ni2+，Mn2+，Zn2+，Ca2+，F(xiàn)e2+，Cu2+ 等二價(jià)金屬陽離子中的任一種；M3+ 為 Al3+，Cr3+，F(xiàn)e3+，Co3+ 等三價(jià)金屬陽離子中的任一種；An_為陰離子，如CO廣，no3_，C1_，or, SO42-, po43_等無機(jī)離子中的任一種；x=0. 5 O. 15 ；Μ2+/Μ3+=Γ50以下進(jìn)一步提供本發(fā)明的4個(gè)實(shí)施例
實(shí)施例I
將丙烯酸和水按體積比I :2的比例混合，按照每克市售鎂鋁水滑石對(duì)應(yīng)5mmol丙烯酸的量，將過20目篩的水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，在70°C恒溫?cái)嚢? h，老化24 h，再將顆粒物分離，去離子水洗3遍，將顆粒物加入到濃度為10%的異丙醇溶液中，用于調(diào)節(jié)水滑石層間的有機(jī)物含量，每克水滑石對(duì)應(yīng)異丙醇溶液為10毫 升，攪拌3 h，再加入過硫酸銨引發(fā)丙烯酸聚合，每克水滑石對(duì)應(yīng)的過硫酸銨的量為15 mmol，加熱到90°C，反應(yīng)10 h，用去離子水洗3遍，90°C烘干，研磨，過40目篩得到粉末；將得到的粉末放入真空管式爐中，在真空條件下加熱到700°C，真空煅燒4 h，冷卻至室溫；將煅燒后的粉末加入到濃度為40%的鹽酸溶液中，每克粉末對(duì)應(yīng)10毫升酸溶液，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌4 h，沉淀分離，烘干；將得到的產(chǎn)品在真空條件下，加熱到2500°C，經(jīng)熱處理3 h，冷卻后即得二維納米石墨烯。實(shí)施例2
將丙烯酸和水按體積比為I :1的比例混合，按照每克市售鋅鋁水滑石對(duì)應(yīng)3mmol丙烯酸的量，將過50目篩的水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，在60°C恒溫?cái)嚢? h，老化12h，再將顆粒物分離，去離子水洗2遍，將顆粒物加入到濃度為5%的異丙醇溶液中，用于調(diào)節(jié)水滑石層間的有機(jī)物含量，每克水滑石對(duì)應(yīng)異丙醇溶液為5毫升，攪拌2h，再加入過硫酸銨引發(fā)丙烯酸聚合，每克水滑石對(duì)應(yīng)的過硫酸銨的量為5 mmol，加熱到60°C，反應(yīng)8 h，用去離子水洗2遍，70°C烘干，研磨，過20目篩得到粉末；將得到的粉末放入真空管式爐中，在真空條件下加熱到600°C，真空煅燒2 h，冷卻至室溫；將煅燒后的粉末加入到濃度為20%的鹽酸溶液中，每克粉末對(duì)應(yīng)5毫升酸溶液，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌3 h，沉淀分離，烘干；將得到的產(chǎn)品在真空條件下，加熱到2000°C，經(jīng)熱處理6 h，冷卻后即得二維納米石墨烯。實(shí)施例3
首先按照文獻(xiàn)(鎂鋁型水滑石水熱合成，應(yīng)用化學(xué)，2001，18，70-72)合成制得鎂鋁型水滑石；將水滑石過40目篩，備用。將丙烯酸和水按體積比為I :2的比例混合，按照每克水滑石對(duì)應(yīng)4mmol丙烯酸的量，將制備得到的水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，在65°C恒溫?cái)嚢? h，老化18 h，再將顆粒物分離，去離子水洗2 3遍，將顆粒物加入到濃度為8%的異丙醇溶液中，用于調(diào)節(jié)水滑石層間的有機(jī)物含量，每克水滑石對(duì)應(yīng)異丙醇溶液為8毫升，攪拌3 h，再加入過硫酸銨引發(fā)丙烯酸聚合，每克水滑石對(duì)應(yīng)的過硫酸銨的量為10 mmol，加熱到80°C，反應(yīng)9 h，用去離子水洗3遍，80°C烘干，研磨，過30目篩得到粉末；將得到的粉末放入真空管式爐中，在真空條件下加熱到650°C，真空煅燒3h，冷卻至室溫；將煅燒后的粉末加入到濃度為30%的鹽酸溶液中，每克粉末對(duì)應(yīng)8毫升酸溶液，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌4 h，沉淀分離，烘干；將得到的產(chǎn)品在真空條件下，加熱到2200°C，經(jīng)熱處理5 h，冷卻后即得二維納米石墨烯。
權(quán)利要求
1.一種二維納米石墨烯的制備方法，其特征是是依次包括如下步驟 O將丙烯酸和水按體積比為I I 2混合，按照每克水滑石對(duì)應(yīng)3 5mmol丙烯酸的量，將過20-50目篩的水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，在6(T70°C恒溫?cái)嚢?飛h，老化12^24 h后將顆粒物分離，用去離子水洗2 3遍后加入到濃度為59TlO%的異丙醇溶液中，每克水滑石對(duì)應(yīng)異丙醇溶液為5 10毫升，攪拌2 3 h，再加入過硫酸銨引發(fā)丙烯酸聚合，每克水滑石對(duì)應(yīng)的過硫酸銨的量為5 15 mmol，加熱到6(T90°C，反應(yīng)8 10 h，用去離子水洗2 3遍，7(T90°C烘干，研磨，過20 40目篩得到粉末； 2)將得到的粉末放入真空管式爐中，在真空條件下加熱到60(T700°C，真空煅燒2 4h，冷卻至室溫； 3)將煅燒后的粉末加入到濃度為20°/Γ40%的鹽酸溶液中，每克粉末對(duì)應(yīng)5 10毫升酸溶液，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌31 h，沉淀分離，烘干； 4)將得到的產(chǎn)物在真空條件下，加熱到200(Γ2500 ，經(jīng)熱處理:Γ6h，冷卻后即得二維納米石墨烯。
全文摘要
本發(fā)明公開一種二維納米石墨烯的制備方法，將丙烯酸和水按體積比為11~12混合，按照每克水滑石對(duì)應(yīng)3~5mmol丙烯酸的量，將過20-50目篩的水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，60~70℃攪拌，老化，將顆粒物分離，加入到異丙醇溶液中，再加入過硫酸銨，加熱到60~90℃，反應(yīng)8~10h，70~90℃烘干，研磨，過20~40目篩得到粉末；將粉末在真空條件下加熱到600~700℃，煅燒2~4h，將煅燒后的粉末加入到濃度為20%~40%的鹽酸溶液中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌，沉淀分離，烘干；將得到的產(chǎn)物在真空條件下，加熱到2000~2500℃，經(jīng)熱處理3~6h，冷卻后即得，材料來源簡(jiǎn)單，過程簡(jiǎn)單、溫和。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102910622SQ201210410900
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者馬建鋒, 鄒靜, 李定龍, 楊彥 申請(qǐng)人:常州大學(xué)