[发明专利]一种具有高浓度耦合磁矩的大片状氧化石墨烯的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种具有高浓度耦合磁矩的大片状氧化石墨烯的制备方法。在这种氧化石墨烯的基础上能制备出具有高浓度耦合磁矩的大片石墨烯。

二、背景技术

自从氧化石墨烯、石墨烯材料被发现以来，由于其特殊的结构带来的非凡的电荷输运特性，再加上其超长的自旋弛豫时间和极大的自旋扩散长度，让石墨烯系列材料在自旋电子学器件上有着美好的应用前景[1]。但是，完美的石墨烯本身是一个没有净磁矩的材料，没有办法完成和保持电荷的自旋极化，只有通过外界的铁磁性材料在磁场下极化电荷后，充当自旋传输的通道使用，而且自旋扩散的长度也比较有限[1]。如果在石墨烯上引入高浓度的磁矩，尤其是高浓度的耦合的磁矩，不需要借助外界的自旋极化设备，通过石墨烯材料自身就能实现电荷的自旋极化，并将自旋极化的电荷能输运至更远的距离，极大促进和丰富石墨烯在自旋电子器件上的应用[2]。

目前所报道的所有石墨烯材料，都没有同时具有高浓度磁矩、磁矩耦合的特征[2]。本申请人所在研究组不久前已经发现了尺寸和羟基的分布是影响氧化石墨烯和石墨烯材料磁矩浓度和磁矩耦合的关键因素[2]。本发明方法就是在搞清了这个关键因素的前提下，找到了一种能够制备出同时兼具高浓度磁矩和耦合磁矩特征的大片氧化石墨烯的制备方法。进而，通过热退火除去一些不够热稳定的含氧基团如环氧基、羧基、羰基等，保留热稳定性好的羟基，则可以得到具有高浓度耦合磁矩的易导电的大片状石墨烯。本申请是石墨烯在自旋电子器件应用方面的重要发明。

参考文献

1.Tombros,N.,et al.,Electronic spin transport and spin precession in single graphene layers at room temperature.Nature 448(7153),2007,571-574.

2.Tang,T.,et al.,Identifying the magnetic properties of graphene oxide.Appl.Phys.Lett.104(12),2014,123104.

3.Stankovich,S.,et al.,Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide.Carbon 45(7),2007,1558-1565.

4.Liu,Y.,et al.,Realization of ferromagnetic graphene oxide with high magnetization by doping graphene oxide with nitrogen.Sci.Rep.3,2013,2566.

三、发明内容

本发明的目的在于，制备出一种具有高浓度的耦合磁矩的大片状氧化石墨烯和石墨烯。与其他的石墨烯材料相比，本方法所制备的氧化石墨烯材料具有50—85微米的平均尺寸，石墨烯材料具有20—40微米的平均尺寸，这两者都兼具高浓度的磁矩与耦合的磁矩两种特征，具有极大的新颖性与应用性。尤其是，这与传统制备氧化石墨烯的标准Hummers方法[3]在制备工艺上有很多不同，而且传统的Hummers方法制备出来的氧化石墨烯完全不具备高磁矩和耦合磁矩这两种适合自旋电子学应用的重要特性。

一种具有高浓度的耦合磁矩的大片状氧化石墨烯或/和石墨烯(GO)的制备，在强酸性条件下，精确控制原材料的配比、氧化时间、氧化温度以及工艺流程，通过氧化鳞片状石墨剥离制备出具有高浓度耦合磁矩的大尺寸(平均尺寸为50—85微米)片状的氧化石墨烯。这些氧化石墨烯的饱和磁矩达到1.2emu/g，磁矩之间平均以5个为一组耦合。具体步骤如下：

1)选用天然鳞片状石墨(500目)、化学纯硝酸钠、化学纯高锰酸钾、化学纯浓硫酸混合均匀并加入一个大号磁子放入耐酸性容器中，耐酸性容器放入恒温水浴锅中；在0±10℃条件下搅拌1.5±1小时，然后把温度迅速调至35±10℃，搅拌2±1小时；

上述材料的质量与体积比：天然鳞片状石墨8-12、化学纯硝酸钠8-12、化学纯高锰酸钾40-60、化学纯浓硫酸300-500毫升；

2)加入稀双氧水或先加去离子水300-500毫升加入到步骤1)获得的混合物中，再加入稀双氧水；再加水至1500-3000毫升；

3)将2)中所得到的溶液用离心机离心取沉淀物；重复相同的离心—取沉淀物—加水的过程13—20次；