[发明专利]利用天然多孔及层状结构蔬菜制备多原子自掺杂石墨烯的方法

说明书

本发明涉及利用天然多孔及层状结构蔬菜制备多原子自掺杂石墨烯的方法。步骤如下：将蔬菜处理后浸泡于KOH溶液中，经过冷冻干燥、升温活化处理后，然后酸洗烘干而得。本发明选用蔬菜为原料，材料来源丰富，廉价，可再生，符合可持续发展的要求。蔬菜中含有丰富的碳源，制成石墨烯后C含量可达80.0～95.0at.％，又由于蔬菜内含有丰富的氨基酸和矿物质，可在一定程度上形成多原子自掺杂多功能石墨烯，其中N含量为0.5～6.0at.％，P的含量为0.1～3.0at.％，N、P等多原子掺杂可打开能带隙并调整导电类型，改变石墨烯的电子结构，有效提高石墨烯的自由载流子密度，从而提高石墨烯的导电性能和稳定性，同时增加石墨烯的边缘缺陷，暴露更多的活性位点，使所制备的石墨烯具有较高活性。

技术领域

本发明涉及一种利用天然多孔及层状结构蔬菜制备多原子自掺杂石墨烯的方法，属于石墨烯材料制备领域。

背景技术

石墨烯(G)是平面单层碳原子紧密结合在一起形成的二维(2D)晶格材料，被认为是构建所有其他维数石墨材料(包裹成富勒烯、卷制成碳纳米管和堆集成石墨)的基本单元。石墨烯的厚度仅为0.35nm左右,是世界上最薄的二维材料。稳定正六边形晶格结构赋予石墨烯许多独特的性能，如拉伸强度高达130Gpa，是已知材料中最高的；载流子迁移率高达15000～25000cm²/Vs(超过商用硅片10倍)；热导率达5000W/mK是金刚石的3倍，还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁性等特殊性质。此外，电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，产生的热量少，导电效率高，是目前已知导电性能最优异的材料。

目前制备石墨烯的方法可分为物理方法(微机械剥离法、液相或气相直接剥离法)与化学方法(化学气相沉积法、晶体外延生长法和氧化-还原法)。微机械剥离法是Geim等[Science,2004,306(5696):666-669]最早报道的制备石墨烯的方法。这种方法费时费力且难以精确控制，重复性差，难以大规模制备。液相或气相直接剥离法，如Coleman等参照液相剥离碳纳米管的方式将石墨分散在N-甲基-吡咯烷酮中[Nat.Nanotechnol,2008,3(9):563-568]，可制得石墨烯。然而该法制备石墨烯产率较低，仅为百分之几，大大限制其商业推广。化学气相沉积法(CVD)是现阶段制备质量高、大面积石墨烯的一种有效方法，如Kim等在硅衬底上添加一层非常薄的镍[Nature,2009,457(7230):706-710]，在甲烷、氢气与氩气气流中煅烧，在镍层上沉积出较大块6～10层石墨烯。这种方法制备成本高、难以精确控制加工条件，制约了其发展。晶体外延生长法，如Sutter等通过加热单晶6H-SiC脱除Si[Nat.Mater,2008,7(5):406-411]，从而得到在SiC表面外延的石墨烯。此法受衬底的影响很大，合成条件苛刻，石墨烯不易从衬底上分离，难以大量制造石墨烯。氧化还原法是目前最常用的制备石墨烯的方法，如P氩k等用水合肼还原剂[C氩bon,2011,49(9):3019-3023]，成功还原石墨烯。但此法常采用的还原剂具有毒性，使得制备过程存在危险和不稳定性，且这种还原制备出的石墨烯都会存在一个团聚过程，造成石墨烯比表面积偏小，通常低于900m²/g。因此，急需发明一种安全高效、低成本、环保友好的制备石墨烯的途径。

生物质材料具有可持续、环保再生、来源丰富的诸多优点，在农业、医药、化学等诸多领域有广泛用。作为餐座上的蔬菜，含有丰富的氨基酸和矿物质在给人类提供营养和能量上发挥着巨大价值，其具有的特殊结构(具有多孔及其层状结构)往往被忽视。蔬菜在工业上的应用却非常少，因此其在工业上的应用仍需深入探究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有制备石墨烯技术的不足和缺点，提供一种简单的利用天然多孔及层状结构蔬菜制备多原子自掺杂石墨烯的方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

本发明所述利用天然多孔及层状结构蔬菜制备多原子自掺杂石墨烯的方法，将蔬菜处理后浸泡于KOH溶液中，经过冷冻干燥、升温活化处理后，然后酸洗烘干而得，步骤如下：