硼掺杂石墨烯及其制备方法
【专利摘要】本发明属于电化学领域，其公开了一种硼掺杂石墨烯及其制备方法；该复合材料的制备方法包括步骤：将氧化石墨置于惰性氛围的反应器中；对氧化石墨进行加入处理；往反应器中加入水蒸气，进行活化处理；随后通入硼烷并在硼烷保护下冷却至室温，得到硼掺杂石墨烯样品；将石墨烯样品真空干燥处理，得到硼掺杂石墨烯。本发明的硼掺杂石墨烯制备方法，能够得到高比表面积的硼掺杂石墨烯，活化与硼掺杂在同一个反应器中进行,连续进行两个过程,减小了工艺步骤,有利于节约成本,同时活化之后增加硼烷退火处理克服了硼掺杂过程中导致比表面积降低的缺点。
【专利说明】硼掺杂石墨烯及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石墨烯领域，尤其涉及一种硼掺杂石墨烯及其制备方法。【背景技术】(请发明人注意:技术方案所要解决的问题是制备硼掺杂石墨烯，而【背景技术】中所给出的问题是解决石墨烯制备问题，也就是说技术方案与所要解决的技术问题不相符，请发明人根据技术方案修正【背景技术】中的技术问题)
[0002]石墨烯是一种二维单分子层材料，全部由碳原子组成，是目前发现最薄的材料，这使得石墨烯具有优异的性质，如高比表面积，高电导率，高机械强度以及优异的韧性等，在很多领域都有应用的潜能，因此受到研究者的广泛关注。石墨烯的理论比表面积可以达到2630m2/g，但实际上所制备的石墨烯的比表面积远远低于这一数值，仅有600m2/g左右，这大大制约了石墨 烯的应用。通过各种方法所制备的石墨烯的比表面积主要取决于石墨烯的层数和石墨烯的团聚，石墨烯的层数越小，比表面积越高；石墨烯的团聚程度越低，比表面积越高。目前，层数为一的石墨烯可以通过一些制备方法来实现，但石墨烯团聚这个问题一直没有好的方法给予解决，这大大限制了石墨烯向前发展和广泛应用。
[0003]到目前为止，所知道的制备石墨烯的方法有多种，如:(1)微机械剥离法。这种方法只能产生数量极为有限石墨烯片，可作为基础研究；(2)超高真空石墨烯外延生长法。这种方法的高成本以及小圆片的结构限制了其应用；(3)化学气相沉积法(CVD)。此方法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。(4)溶剂剥离法。此方法缺点是产率很低，限制它的商业应用；(5)氧化-还原法。此方法是最简单可大量获得石墨烯的一种普遍方法，比较常用的还原方法是化学还原(水合肼、乙二胺、硼氢化钠等做还原剂)和快速热还原，但是各种方法还原后，石墨烯都会存在一个团聚的过程，造成石墨烯的比表面积偏小，一般小于900m2/go
[0004]石墨烯非常容易衍生化，其衍生物也受到研究者的广泛关注，目前石墨烯衍生物主要有氮掺杂石墨烯和硼掺杂石墨烯。其中硼掺杂石墨烯由于硼原子比碳原子外层少一个电子，呈P-型掺杂，相比石墨烯具有更好的储能性能，且硼掺杂石墨烯的硼含量越高，储能性能越好。目前，容易实现大规模工业化制备硼掺杂石墨烯的方法为高温固相热掺杂法，而这种方法目前最大的问题是所制备的硼掺杂石墨烯比表面积较低，限制其在储能领域的应用。
【发明内容】
[0005]基于上述问题，本发明所要解决的问题在于提供一种比表面积较高的鹏掺杂石墨烯的制备方法。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]一种硼掺杂石墨烯的制备方法，包括如下步骤:
[0008]首选，将氧化石墨置于惰性氛围的反应器中；
[0009]随后，于800-1000?下对氧化石墨进行加热处理，
[0010]接着，再往反应器中通入水蒸气，进行活化处理3(Tl20min ；[0011]再接着，活化处理完全后，往反应器中通入含硼气态化合物，并在含硼气态化合物保护下降到室温，得到硼掺杂石墨烯样品；
[0012]最后，将硼掺杂石墨烯样品进行干燥处理，得到硼掺杂石墨烯。
[0013]优选，所述硼掺杂石墨烯的制备方法，其中，所述加热处理时，加热温度是以5~15°C /min的升温速度升温至80(Tl00(TC。
[0014]优选，所述硼掺杂石墨烯的制备方法，其中，所述干燥处理是在真空干燥箱中进行，且干燥温度为8(Tl2(TC，干燥时间为8~12h。
[0015]优选，所述硼掺杂石墨烯的制备方法，其中，含硼气态化合物为硼烷、甲硼烷、乙硼烷、丙硼烷或丁硼烷。
[0016]优选，所述硼掺杂石墨烯的制备方法，其中，所述惰性氛围包括氮气、氩气、及氮气和氩气混合气构成的惰性氛围。
[0017]本发明还提供一种硼掺杂石墨烯，该硼掺杂石墨烯采用上述制备方法制得。
[0018]本发明提供的石墨烯的制备方法，该方法采用水蒸气对氧化石墨进行活化同样能实现闻比表面积，得到的石墨稀的比表面积为1000 2000m2/g,闻于常规方法制备的石墨稀比表面积r900m2/g)大大提高了电导率。活化与硼掺杂在同一个反应器中进行，连续进行两个过程，减小了工艺步骤，有利于节约成本，同时活化之后增加硼烷退火处理克服了硼掺杂过程中导致比表面积降低的缺点。
[0019]该制备方法不需要采用强耐腐蚀的设备，降低了设备的投入成本，同时增加了设备的使用寿命；采用的水蒸气对环境和人都没有危害，可以直接排放到大气中，降低了尾气处理成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明硼掺杂石墨烯的制备工艺流程图；
[0021 ] 图2为实施例1制得的硼掺杂石墨烯的SEM图。
【具体实施方式】
[0022]本发明提供的硼掺杂石墨烯的制备方法，如图1所示，其工艺步骤如下:
[0023]S1、将氧化石墨放入到反应器，本发明优选马弗炉内，然后向马弗炉内通入30-60分钟惰性气体，如氮气、氩气或者氮气和氩气混合气，以排出马弗炉内的空气，使马弗炉内形成惰性氛围；
[0024]S2、以5~15°C /min的升温速度升温至80(Tl00(rC，对氧化石墨进行加入处理；
[0025]S3、停止通入惰性气体，接着往马弗炉内通入水蒸气，进行活化处理3(Tl20min，活化处理完全后，停止通入水蒸气；
[0026]S4、再接着通入含硼气态化合物，并在含硼气态化合物的保护下降到室温，得到硼掺杂石墨烯样品；其中，含硼气态化合物为硼烷、甲硼烷、乙硼烷、丙硼烷或丁硼烷；
[0027]S5、其中，将硼掺杂石墨烯样品放入真空干燥箱内在8(T12(TC真空干燥处理8~12小时，得到硼掺杂石墨烯。
[0028]本发明提供的石墨烯的制备方法，该方法采用水蒸气对氧化石墨进行活化同样能实现闻比表面积，得到的石墨稀的比表面积为1000 2000m2/g,闻于常规方法制备的石墨稀比表面积r900m2/g)，大大提高了电导率。活化与硼掺杂在同一个反应器中进行，连续进行两个过程，减小了工艺步骤，有利于节约成本，同时活化之后增加硼烷退火处理克服了硼掺杂过程中导致比表面积降低的缺点。
[0029]该制备方法不需要采用强耐腐蚀的设备，降低了设备的投入成本，同时增加了设备的使用寿命；采用的水蒸气对环境和人都没有危害，可以直接排放到大气中，降低了尾气处理成本。
[0030]下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。
[0031]实施例1
[0032]将40g氧化石墨加入马弗炉内，首先向马弗炉内通入氮气以驱赶其中空气，30分钟后开始加热，以5°C /min速度升温至800°C ;然后通入水蒸气进行活化，在800°C的温度下活化120min后 ，停止加热，将气流切换为硼烷，在硼烷保护下降至室温，得到硼掺杂石墨烯样品，然后将样品放入真空干燥箱内在80°C真空干燥12小时，得到高比表面积的硼掺杂石墨烯。
[0033]图2为实施例1制得的硼掺杂石墨烯的SEM图；由图2可知，硼掺杂石墨烯已经完全被剥离开，具有较高的比表面积。
[0034]实施例2
[0035]将40g氧化石墨加入马弗炉内，首先向马弗炉内通入氩气以驱赶其中空气，60分钟后开始加热，以15°C /min速度升温至1000°C ;然后通入水蒸气进行活化，在1000°C的温度下活化30min后，停止加热，将气流切换为甲硼烷，在甲硼烷保护下降至室温，得到硼掺杂石墨烯样品，然后将样品放入真空干燥箱内在120°C真空干燥8小时，得到高比表面积的硼掺杂石墨烯。
[0036]实施例3
[0037]将40g氧化石墨加入马弗炉内，首先向马弗炉内通入氮气和氩气混合气体以驱赶其中空气，35分钟后开始加热，以6°C /min速度升温至850°C ;然后通入水蒸气进行活化，在850°C的温度下活化IOOmin后，停止加热，将气流切换为乙硼烷，在乙硼烷保护下降至室温，得到硼掺杂石墨烯样品，然后将样品放入真空干燥箱内在85°C真空干燥11小时，得到闻比表面积的砸惨杂石墨稀。
[0038]实施例4
[0039]将40g氧化石墨加入马弗炉内，首先向马弗炉内通入氮气以驱赶其中空气，40分钟后开始加热，以8°C /min速度升温至870°C ;然后通入水蒸气进行活化，在870°C的温度下活化90min后，停止加热，将气流切换为丙硼烷，在丙硼烷保护下降至室温，得到硼掺杂石墨烯样品，然后将样品放入真空干燥箱内在90°C真空干燥11小时，得到高比表面积的硼掺杂石墨烯。
[0040]实施例5
[0041 ] 将40g氧化石墨加入马弗炉内，首先向马弗炉内通入氮气以驱赶其中空气，45分钟后开始加热，以10°C /min速度升温至900°C ;然后通入水蒸气进行活化，在900°C的温度下活化75min后，停止加热，将气流切换为丁硼烷，在丁硼烷保护下降至室温，得到硼掺杂石墨烯样品，然后将样品放入真空干燥箱内在100°C真空干燥10小时，得到高比表面积的砸烧石墨稀。[0042]实施例6
[0043]将40g氧化石墨加入马弗炉内，首先向马弗炉内通入氮气以驱赶其中空气，50分钟后开始加热，以12°C /min速度升温至950°C ;然后通入水蒸气进行活化，在950°C的温度下活化60min后，停止加热，将气流切换为硼烷，在硼烷保护下降至室温，得到硼掺杂石墨烯样品，然后将样品放入真空干燥箱内在110°C真空干燥9小时，得到高比表面积的硼烷石墨稀。
[0044]实施例7
[0045]将40g氧化石墨加入马弗炉内，首先向马弗炉内通入氮气以驱赶其中空气，55分钟后开始加热，以14°C /min速度升温至980°C ;然后通入水蒸气进行活化，在980°C的温度下活化40min后，停止加热，将气流切换为硼烷，在硼烷保护下降至室温，得到硼掺杂石墨烯样品，然后将样品放入真空干燥箱内在115°C真空干燥8小时，得到高比表面积的硼烷石墨稀。
[0046]对实施例f 7制备的硼掺杂石墨烯通过BET测试得到的比表面积如表1所示:
[0047]表1
[0048]
【权利要求】
1.一种硼掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 首选，将氧化石墨置于惰性氛围的反应器中； 随后，于80(Ti00(rc下对氧化石墨进行加热处理， 接着，再往反应器中通入水蒸气，进行活化处理3(Tl20min ； 再接着，活化处理完全后，往反应器中通入含硼气态化合物，并在含硼气态化合物保护下降到室温，得到硼掺杂石墨烯样品； 最后，将硼掺杂石墨烯样品进行干燥处理，得到硼掺杂石墨烯。
2.根据权利要求1所述的硼掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述加热处理时，加热温度是以5~15°C /min的升温速度升温至80(Tl00(TC。
3.根据权利要求1所述的硼掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述干燥处理是在真空干燥箱中进行，且干燥温度为8(T12(TC，干燥时间为8~12h。
4.根据权利要求1所述的硼掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，含硼气态化合物为硼烷、甲硼烷、乙硼烷、丙硼烷或丁硼烷。
5.根据权利要求1至4任一所述的硼掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，所述惰性氛围包括氮气、氩气、及氮气和氩气混合气构成的惰性氛围。
6.一种硼掺杂石墨烯，其特征在于，该硼掺杂石墨烯采用权利要求f 5任一所述的制备方法制得。
【文档编号】C01B31/04GK103833017SQ201210483615
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月23日 优先权日:2012年11月23日
【发明者】周明杰, 钟玲珑, 王要兵, 刘大喜 申请人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技术有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司