[发明专利]一种石墨烯中空管的制备方法

说明书

本发明提供一种石墨烯中空管的制备方法。将正硅酸乙酯，无水乙醇、盐酸、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜与聚乙烯吡咯烷酮搅拌混合均匀，得到纺丝前驱体溶液，采用静电纺丝方法形成纳米纤维，加热去除有机成分，得到SiO₂纤维；然后采用CVD法生成SiO₂/石墨烯核壳结构，将SiO₂/石墨烯核壳结构放入石墨烯分散液中搅拌，石墨烯层变厚，用HF酸刻蚀掉SiO₂，得到石墨烯中空管。本发明所述方法得到的石墨烯中空管内径远远大于碳纳米管，导电性也好于氧化石墨烯管壁，石墨烯片层叠加过程可以增加外层石墨烯的厚度，石墨烯管壁中存在褶皱，增加了复合材料的弹性与韧性。

技术领域

本发明涉及纳米结构制备领域，尤其涉及一种石墨烯中空管的制备方法。

背景技术

纳米材料由于其极大的科学价值及潜在的应用价值，引起了人们的广泛关注。理论和实验研究表明，纳米结构表现出优越的性能，特别是一维碳纳米材料(如纳米线和纳米管)具有一维的电子传导通道，导电性好，化学性能稳定，重量轻，强度高，韧性好，柔软，比表面积大，可用作储氢材料、触摸屏、显示器、晶体管、塑料、陶瓷、发光器件等许多领域。碳纳米管具备中空结构，多层碳纳米管层与层之间为0.34nm，直径一般为2-20nm，其内径过小，碳纳米管内部无法容纳尺寸较大的物质。石墨烯相对于碳纳米管来说具有更优异的导电、导热、透光和力学性能。因此，制备一种直径更大的石墨烯中空管结构，可能具有更优异的性能和更广阔的应用，可以在内部复合其他纳米结构，充分利用石墨烯外层的性能优势，同时保护内部材料的稳定性，以提高复合材料的性能表现。

发明专利《石墨烯基空心纤维及其制备方法》(申请号为201510402015.5)中将氧化石墨烯和还原剂注入管状模具中并封口，加热还原后得到成型纤维，这种方法得到的是还原氧化石墨烯管状结构，其导电性能与石墨烯管比存在较大差距；发明专利《一种多功能石墨烯管的制备方法》(申请号为201110342359.3)中以铜金属线或镍金属线为模版，采用成熟的化学气相沉积法在表面生长石墨烯，然后将铜金属线或镍金属线腐蚀掉，制备了石墨烯管；发明专利《制备石墨烯管与石墨烯条带的方法》(申请号为201210111724.4)中，以铜或镍的网状实心管材料为模板，同样采用化学气相沉积法得到包覆于衬底表面的三维石墨烯管道网络材料；以上两种方法中化学气相沉积法制备的石墨烯层数较少，形成的管壁薄，腐蚀与转移过程中容易出现结构的破坏，腐蚀金属造成金属的浪费，而且中空管的内径受制于金属模板的尺寸。寻找一种内径可调，管壁尺寸可调的石墨烯中空管的制备方法对科学研究与工业应用都具有重要意义。

发明内容

提出了一种石墨烯中空管的制备方法。首先，运用静电纺丝法制备SiO₂纳米纤维，采用化学气相沉积法在SiO₂表面生长单层石墨烯/多层石墨烯/不连续的石墨烯小片层/石墨烯量子点；其次，利用在溶液中石墨烯片层可相互贴合叠加的特性，溶液中的石墨烯片与紧紧依附在SiO₂外部的石墨烯/石墨烯量子点不停地叠加，形成多层石墨烯外壳；最后，采用HF酸将SiO₂腐蚀掉，得到石墨烯中空管。

本发明采用如下技术方案：

一种石墨烯中空管的制备方法，包括如下步骤：

(1)将正硅酸乙酯，无水乙醇、盐酸、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜与聚乙烯吡咯烷酮搅拌混合均匀，得到纺丝前驱体溶液，采用静电纺丝方法形成纳米纤维，加热去除有机成分，得到SiO₂纤维；

(2)将SiO₂纤维放入管式炉中，在空气中800℃处理1h，然后采用CVD法在氢气、氩气与甲烷的氛围中生长石墨烯，生成SiO₂/石墨烯核壳结构，将SiO₂/石墨烯核壳结构放入石墨烯分散液中搅拌，石墨烯层变厚，用HF酸刻蚀掉SiO₂，得到石墨烯中空管。