[发明专利]一种限域催化制备中空石墨烯纳米球的方法

说明书

本发明公开了一种限域催化制备中空石墨烯纳米球的方法，该制备方法包括如下步骤：先将二价金属盐、表面活性剂、沉淀剂充分溶解于溶剂中，取得混合液；再将混合液加热后回流冷凝搅拌，取得悬浊液；接着将悬浊液经过抽滤处理，取滤饼干燥后研成粉末；然后将粉末经过碳化处理，取得黑色粉末；最后将黑色粉末经过酸刻蚀处理，得到呈黑色粉末状的中空石墨烯纳米球。本发明制备方法通过无机/有机层状复合物限域碳化催化技术制备中空石墨烯纳米球，所制备的中空石墨烯纳米球的直径范围可以控制在4‑25nm，而且通过选择不同的表面活性剂，最终可以得到不同杂原子掺杂的中空石墨烯纳米球，该制备方法工艺简单、适用于工业化大规模生产。

技术领域

本发明涉及纳米材料的技术领域，具体地指一种限域催化制备中空石墨烯纳米球的方法。

背景技术

2004年俄罗斯的两位物理学家，Andrei Geim和Kostya Novoselov通过使用胶带剥离方法获得了单层石墨烯，自那以后石墨烯引起人们广泛的兴趣。石墨烯是一种由碳原子SP²杂化组成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度2D碳材料，其他维度的碳材料如碳纳米管、富勒烯和石墨等都可以看成石墨烯的衍生物。由于单层石墨烯不容易获得，一般认为由碳原子所构成的具有几个原子层(通常小于10层)的晶体都可视为石墨烯。石墨烯具有较高的比表面积(2630m²/g)，优越的导电性(200-3000S/cm)，可调带宽以及高的机械强度，这些特点使得石墨烯在储能、催化和环境保护等领域有着广阔的应用前景。

石墨烯的制备方法主要有：化学气相沉积法(CVD)、电弧放电法、机械剥离法、氧化剥离石墨还原法、SiC外延生长法等。通常这些方法制备出来的石墨烯结构大部分是以片状或带状形式存在，而中空球状石墨烯的制备采用CVD方法还比较困难。中国专利公开号CN102120573B中公开了一种石墨烯纳米球的制备方法，其采用微波辐射下反应的方法得到石墨烯纳米球附着的石墨，然后通过分散离心制备得到石墨烯纳米球，该方法制备出来的石墨烯纳米球的直径为100nm-500nm。Jae-Young Choi等人报道了一种采用单质镍颗粒为模板、多元醇为碳源，通过高温碳化合成了多层石墨烯纳米球。该方法制备出来的石墨烯纳米球直径比较大在100-200nm(ACS Nano，2012，6(8)，6803-6811)。

目前，制备的中空石墨烯纳米球工艺存在如下不足：(1)借助硬模板技术，需要将模板制备出来，然后再进行包覆碳处理并需要在高温下进行石墨化处理，最后要将模板刻蚀掉，增加工艺复杂度和原料成本；(2)化学气相沉积法(CVD)技术工艺复杂，需要干净的操作环境，成本较高，不适宜大规模生产；(3)目前制备的中空石墨烯纳米球直径较大(100-200nm)，限制了中空石墨烯纳米球的应用范围。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种限域催化制备中空石墨烯纳米球的方法，该制备方法通过共沉淀插层反应制备无机/有机层状复合物，然后在惰性气氛下进行碳化限域催化石墨化，最后将无机金属刻蚀掉得到中空石墨烯纳米球，所制备的中空石墨烯纳米球的直径为4-25nm，而且该制备方法工艺简单、适用于工业化大规模生产，而且通过选择不同表面活性剂，可以得到不同杂原子掺杂的中空石墨烯。

为实现上述目的，本发明所提供的一种限域催化制备中空石墨烯纳米球的方法，其特征在于，包括如下步骤：先将二价金属盐、表面活性剂、沉淀剂充分溶解于溶剂中，取得混合液；再将混合液加热后回流冷凝搅拌，取得悬浊液；接着将悬浊液经过抽滤处理，取滤饼干燥后研成粉末；然后将粉末经过碳化处理，取得黑色粉末；最后将黑色粉末经过酸刻蚀处理，得到呈黑色粉末状的中空结构石墨烯纳米球。

进一步地，所述二价金属盐、表面活性剂、沉淀剂的添加量按摩尔之比为二价金属盐：表面活性剂：沉淀剂＝1：2-5：3-5。

进一步地，所述溶剂为蒸馏水或者蒸馏水与乙醇按体积比为2-3:1的混合液。