奈米石墨烯空心粒子及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種奈米石墨烯空心粒子，尤其是一種避免使用劇毒或危險的化學(xué)藥劑的奈米石墨烯空心粒子的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單層石墨，又稱為石墨烯(graphene),是一種由單層碳原子以石墨鍵(sp2)緊密堆積成二維蜂窩狀的晶格結(jié)構(gòu)，因此僅有一個碳原子的厚度，石墨鍵為共價鍵與金屬鍵的復(fù)合鍵，可說是絕緣體與導(dǎo)電體的天作之合。2004年英國曼徹斯特大學(xué)Andre Geim與Konstantin Novoselov成功利用膠帶剝離石墨的方式,證實可得到單層的石墨烯，并獲得2010年的諾貝爾物理獎。
[0003]石墨烯是目前世界上最薄也是最堅硬的材料，導(dǎo)熱系數(shù)高于奈米碳管與金剛石，常溫下其電子遷移率亦比奈米碳管或硅晶體高，電阻率比銅或銀更低，為目前世界上電阻率最小的材料。石墨烯與奈米碳管在透明電極的應(yīng)用皆有可撓性高、反射率低的優(yōu)點，是目前做為軟性電子材料的首選，然而石墨烯分散液的涂布較奈米碳管分散液困難許多，石墨烯本質(zhì)上非常容易聚集堆棧，欲得到高均勻性且單層的石墨烯薄膜，避免石墨烯薄片彼此不均勻地堆棧，但仍使薄片彼此接觸導(dǎo)通是主要的技術(shù)困難點。
[0004]石墨烯的制備方法可分為剝離石墨法、直接生長法與奈米碳管轉(zhuǎn)換法三大類，其中剝離石墨法可制得石墨烯粉體，而這類方法當(dāng)中最適合應(yīng)用于量產(chǎn)制程的主要為氧化還原法，此方法的原理為先將石墨材料氧化，形成石墨氧化物，再進行包括分離與還原的處理，以得到石墨烯。
[0005]第20100237296號美國專利是將氧化石墨分散于水中，再于氧化石墨分散液中加入一非水溶性有機溶劑，加熱攪拌至接近200°C，即可得到一還原的石墨烯，但還原程度不佳。
[0006]第7824651號美國專利是將石墨直接放入一含有分散劑的溶液中，施以80瓦以上能階的超音波震蕩或研磨，使得石墨剝離成1nm以下的單層石墨。此法簡單，但是單純靠機械力的方式很難達到所需尺寸，因此需要非常長的時間，因此耗能。
[0007]第7658901號美國專利是將氧化石墨放入一熱源使其剝離為細小粉末，再置于一含有保護氣氛的熱源一段時間，得到最終的單層石墨產(chǎn)物。此方法簡單快速，但是對于每批次量的粉體大小與氧含量難以控制，容易出現(xiàn)落差，產(chǎn)物的質(zhì)量不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的主要目的在于提供一種奈米石墨烯空心粒子，本發(fā)明的奈米石墨烯空心粒子包含石墨烯片，所述石墨烯片相互堆棧而構(gòu)成奈米石墨烯空心粒子，整體奈米石墨烯空心粒子的粒徑為10?500nm,比表面積大于500m2 / g。所述石墨烯片的厚度為I?50nm,而平面橫向尺寸為10-100nm。
[0009]本發(fā)明的另一目的在于提供一種奈米石墨烯空心粒子的制作方法，該方法包含石墨烯生成步驟、蝕刻步驟以及熱處理步驟。石墨烯生成步驟中將還原劑導(dǎo)入通有保護氣體的高溫爐中，再導(dǎo)入含碳氣態(tài)化合物以及于高溫下裂解生成的碳的第二氣態(tài)化合物的至少其中之一，進一步將溫度調(diào)升至反應(yīng)溫度以進行氧化還原反應(yīng)，而形成含有副產(chǎn)物的奈米石墨烯粒子。
[0010]蝕刻步驟將含有副產(chǎn)物的奈米石墨烯粒子浸入一酸性蝕刻液，經(jīng)過蝕刻后得到一奈米石墨烯空心粒子。熱處理步驟是將該奈米石墨烯空心粒子放到通入保護氣氛的高溫爐中以700_1500°C進行熱處理，使該奈米石墨稀空心粒子的晶格重新排列、減少缺陷，而進一步增加奈米石墨烯空心粒子的結(jié)晶度。
[0011]本發(fā)明能夠穩(wěn)定得到粒徑為10?500nm的奈米石墨烯空心粒子，且有別于現(xiàn)有技術(shù)，非采取將石墨以物理方式剝離，亦非以將石墨氧化的方式，除避免劇毒或危險的化學(xué)藥劑的使用外，更有反應(yīng)物選擇多元及制備容易等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0012]圖1A及圖1B分別為本發(fā)明的奈米石墨烯空心粒子的立體示意圖及剖面示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明的奈米石墨烯空心粒子的制作方法的流程圖。
[0014]圖3及圖4為實施例1所得到的奈米石墨烯空心粒子以不同倍率的高分辨率TEM所拍攝的照片。
[0015]圖5為實施例1所得到的奈米石墨烯空心粒子以拉曼光譜測試的結(jié)果。
[0016]圖6為實施例2所得到的奈米石墨烯空心粒子的高分辨率TEM所拍攝的照片。
[0017]其中，附圖標記說明如下:
[0018]I 奈米石墨烯空心粒子
[0019]10石墨烯片
[0020]d 奈米石墨烯空心粒子的粒徑
[0021]dl石墨烯片的平面橫向
[0022]SI奈米石墨烯空心粒子的制作方法
[0023]SlO石墨烯生成步驟
[0024]S20蝕刻步驟
[0025]S30熱處理步驟
【具體實施方式】
[0026]以下配合附圖及附圖標記對本發(fā)明的實施方式做更詳細的說明，使熟習(xí)本領(lǐng)域的技術(shù)人員在研讀本說明書后能據(jù)以實施。
[0027]參考圖1A及圖1B，分別為本發(fā)明奈米石墨烯空心粒子的立體示意圖及剖面示意圖。圖1A及圖1B僅用于示意，幫助現(xiàn)有技術(shù)人員理解，并非以實際尺寸、比例繪制。如圖1A及圖1B所示，本發(fā)明的奈米石墨烯空心粒子I是由多個石墨烯片10相互堆棧所構(gòu)成，整體奈米石墨烯空心粒子I的粒徑d為10?500nm,比表面積大于500m2 / g,各該石墨烯片10的厚度為I?50nm,而平面橫向dl尺寸為1-1OOnm,實體上的電子顯微鏡照片如圖3所示。
[0028]參考圖2，本發(fā)明的奈米石墨烯空心粒子的制作方法的流程圖。如圖2所示，本發(fā)明的奈米石墨烯空心粒子的制作方法SI包含石墨烯生成步驟S10、蝕刻步驟S20以及熱處理步驟S30。在石墨烯生成步驟SlO中，將一還原劑導(dǎo)入通有保護氣體的高溫爐中，再導(dǎo)入一含碳氣態(tài)化合物以及于高溫下裂解以生成碳的一第二氣態(tài)化合物的至少其中之一，進一步將溫度調(diào)升至反應(yīng)溫度，進行氧化還原反應(yīng)，而形成多個含有副產(chǎn)物的奈米石墨烯粒子，其中所述副產(chǎn)物為還原劑的氧化物，該反應(yīng)溫度超過該還原劑的熔點。
[0029]該含碳氣態(tài)化合物選自一氧化碳、二氧化碳，該第二氣態(tài)化合物的來源為選自葡萄糖、蔗糖、淀粉等碳水化合物。該還原劑包含IA族金屬、IIA族金屬、電負度小于1.8的元素，及氧化半反應(yīng)電位介于0.5V至3.1V的元素的至少其中之一，該還原劑可為氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)。該高溫爐的溫度為500°C至1700°C之間，而該保護氣體包含8A族惰性氣體的至少其中之一。進一步地，更可以在石墨烯生成步驟SlO中通入一氨氣，以得到氮元素摻雜的石墨烯奈米粒子。
[0030]在蝕刻步驟S20中，將所述含有副產(chǎn)物的奈米石墨烯粒子浸入一酸性蝕刻液，經(jīng)過蝕刻后所述副產(chǎn)物被去除，而得到多個奈