[发明专利]一种掺杂激光石墨烯材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种掺杂激光石墨烯材料的制备方法，该方法通过激光将含有纤维素和前驱体的基材层转化激光诱导石墨烯，将掺杂物质铁系元素化合物、锰化合物、氮化合物、硼化合物、硼单质、磷化合物、金化合物、银化合物、金单质、银单质、硫化合物等引入激光诱导石墨烯基材。本发明还提供了一种掺杂激光石墨烯材料，该掺杂激光石墨烯材料包括基材层、石墨烯功能层。石墨烯功能层还含有金属化合物、金属单质、含氮官能团激光诱导石墨烯、含磷官能团激光诱导石墨烯、含硫官能团激光诱导石墨烯、含硼官能团激光诱导石墨烯中等杂化物质。掺杂激光石墨烯材料具有优异的性能，如高面电容、高电容量、低面电阻、强选择性等特性。

技术领域

本发明涉及石墨烯材料技术领域，尤其涉及一种掺杂激光石墨烯材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯即石墨单片层，是碳原子以sp2杂化方式形成具有蜂巢结构的单原子层二维晶体材料。石墨烯是碳纳米材料家族的重要成员，由于其独特的物理性质，如高表面积、高导电性、良好的机械强度和稳定性，其已经在电子器件、能量储存和电化学催化中显示出广阔应用前景。

为了获得高质量的石墨烯，如今已有机械剥离法、化学气相沉积法、表面外延生长法、切割纳米管法、液相剥离法、氧化还原法等。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：机械剥离法和外延生长法制备效率较低，难以满足大规模的需要。还原氧化石墨烯法应用较多，但其制备过程中使用的还原剂大多具有高毒性、高污染等缺点，为制备过程的保护措施及废液处理增加了成本。化学气相沉积法虽然可以获得大尺寸连续的石墨烯薄膜，但在剥离过程中，可能会引入新的杂质导致石墨烯品质受到影响，同时反应条件苛刻、严格。此外，上述常见生产方法也都是以石墨矿作为原材料，这种矿产资源是不可循环再生的，不利于石墨烯的大规模生产。如何通过低成本、规模化、生产步骤简单、无毒环保的制备方法获得高质量、低成本的石墨烯，成为了这一领域的研究热点。

发明内容

发明人经大量研究发现，传统的石墨烯生产方法存在石墨烯制备成本高、石墨烯制作工艺复杂等诸多不足。激光诱导方法制备石墨烯是一种新型的石墨烯制备方法，其原理为使用激光诱导，使前驱体转化为石墨烯，这种方法可以实现在常温、无保护气氛的条件下，低成本的制备石墨烯材料。

在实现本发明的过程中，发明人发现激光诱导的方法，在制备激光诱导石墨烯(LIG)时容易出现裂纹、不够平整，基材容易发生扭曲、断裂，制备的LIG与基材结合不牢容易脱落等问题，同时制备的激光诱导石墨烯在其电学性能、电化学性能等方面也有所欠缺。

在实现本发明的过程中，发明人提供了一种掺杂激光石墨烯材料的制备方法，该方法通过激光将含有纤维素和前驱体的基材层转化激光诱导石墨烯。发明人通过大量研究发现，将掺杂物质铁系元素化合物、锰化合物、氮化合物、硼化合物、硼单质、磷化合物、金化合物、银化合物、金单质、银单质、硫化合物等引入激光诱导石墨烯基材。发明人还提供了一种掺杂激光石墨烯材料的制备方法，在LIG基材中添加纤维素，并且在进行激光诱导转化的过程中，通过合理的设置激光参数，使得激光深入LIG基材，将前驱体转化为激光诱导石墨烯，将部分纤维素转化为碳化纤维素，同时激光还不破坏碳化纤维素的束管结构和网状结构，维持石墨烯功能层的稳定以及基材层与激光诱导石墨烯的连接，从而使得制得的激诱导石墨烯更好的附着于基材层的表面，解决石墨烯功能层与基材层结合不牢靠的问题，使得石墨烯与基材可以结合牢靠不易脱落，并实现了优异的柔性、耐候性等特点。通过对LIG基材进行掺杂，可以大幅提高激光诱导石墨烯的性能，如提高面电容、提高电容量、降低面电阻、增强选择性等特性。

该制备方法使用的激光器包括CO₂激光器、红光激光器、蓝光激光器、飞秒激光激光器等。可以使用的激光的波长范围可以是9.3-10.6μm、625-740nm、450-480nm、1053nm。LIG基材表面承受的激光强度需要＞3J/cm²。