[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料的制备方法，具体来说，涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是由六方排列的sp²碳原子组成的具有单原子厚度的二维片层，它是石墨的组成基元。人们发现石墨烯具有石墨所不具有的很多特性，例如室温量子霍尔效应，无质量传输特性，光学性质，热电输运性质，透光性和极高的杨氏模量等。由于石墨烯具有这些特性，石墨烯及石墨烯基材料在很多方面有潜在的用途，如显示器薄膜，太阳能电池电极，锂离子电池电极，场效应晶体管，传感器等。

石墨烯的大量制备是其广泛应用和性能研究的重要基础，因而发展大量制备石墨烯的方法非常重要。石墨烯作为一种纳米材料，其制备方法大体上可以分为两类：一类是自上而下的方法，即以石墨为原料，通过剥离的方法制备；另外一类方法是自下而上的方法，即以含碳分子或材料为原料通过化学反应得到石墨烯。

自下而上制备石墨烯的这一类方法，主要包括外延生长法，通过化学反应将具有苯环结构的分子构建成具有大的共轭体系的石墨烯，通过化学气相沉积以含碳分子为原料在基底上形成石墨烯，通过微波等离子体技术和通过溶剂热法制备石墨烯等。外延生长法即对碳化硅晶体加热后表面可以得到一层石墨烯，这种方法制备效率较低不利于其广泛应用。包含苯环且具有特殊结构的分子通过化学反应可以得到石墨烯，然而由于这些特殊结构的分子的制备一般需要比较复杂的过程而导致由这种途径制备石墨烯成本较高。对含碳分子如甲烷、乙炔等进行化学气相沉积是一种制备石墨烯的方法，但是通过这种方法大量制备石墨烯需要大量的基底，且对基底的要求较高，一般需要基底为单晶才能制备出高质量的石墨烯。通过微波等离子体技术也可以制备石墨烯，但是这种方法对设备要求较高，且制备效率较低(收率约为2％)。以乙醇和金属钠为原料通过溶剂热法可以大量制备石墨烯，但是制备的石墨烯质量较差，得到的石墨烯基本都是聚集状态，不利于其进一步应用。

而通过自上而下的方法制备石墨烯主要包括对石墨的直接剥离，化学剥离(即氧化-剥离-还原)，氢电弧放电剥离等方法。相对于自下而上的方法，自上而下的方法的优点在于原料石墨的廉价及易得。通过微机械剥离石墨得到石墨烯是最早用于制备石墨烯的方法，但是其制备效率非常低下，不适合大量制备石墨烯。在一些溶剂中石墨可以直接剥离成石墨烯，这种方法的优点是石墨没有经历明显的化学修饰，其保持本征性质。但是这种方法的缺点是生成石墨烯的收率较低，最高为仅为8.3％。通过氢电弧放电剥离法可以将石墨剥离成石墨烯，但这种方法存在能源消耗过高的缺点。化学剥离法制备石墨烯是指对石墨进行氧化(强酸强氧化剂条件下氧化)，超声处理后得到氧化石墨烯，再对氧化石墨烯进行还原后即可得到石墨烯。这种方法得到的石墨烯一般具有一些缺陷，这些缺陷主要是在氧化过程中引入的。这种方法的优点在于能耗低，对设备要求不高，且石墨烯收率高，得到的石墨烯可溶于水或其它溶剂中，因此易于应用于制备石墨烯薄膜电极，锂离子电池电极和石墨烯基复合材料等。目前通过化学剥离法得到石墨烯所使用的还原手段主要包括肼还原，硼氢化钠还原，氢醌还原，碱性条件下热还原以及光催化还原等方法。在上述方法中，肼作为还原剂具有较大毒性；而硼氢化钠和氢醌作为还原剂的成本较高；碱性条件下热还原得到的石墨烯中所含杂质较多；而TiO₂作为催化剂光催化还原氧化石墨烯得到的石墨烯上颗粒太多，且得到的厚度为1～2个片层。这些方法的缺点限制了通过化学剥离法大量制备石墨烯及所制备得到的石墨烯的应用。

因此发展一种绿色、廉价的方法制备高质量的石墨烯对于石墨烯的广泛应用非常重要。氢气作为一种较为廉价的还原剂广为人知，其可以通过水汽迁移反应得到。而氢气作为还原剂直接还原氧化石墨烯通常需要非常高的温度(例如400℃以上)，而在高温下还原得到的氧化石墨可能会发生聚集而不易重新分散在溶液中，从而限制了其应用。因此在较低的温度下使用氢气作为还原剂在溶液中还原氧化石墨烯制备高质量的、易分散的石墨烯是一个关键技术。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种石墨烯的制备方法，该制备方法包括在以金属或其盐作为活性组分的催化剂存在下，在反应溶剂中通过氢气还原氧化石墨烯的反应来制备石墨烯。

优选地，所述催化剂的类型为包含金属或其盐的负载型催化剂或包含金属胶体粒子的催化剂。

优选地，所述金属选自钯、铂、铑、钌、锇、铱和镍中的一种或多种；所述盐选自无机盐，例如硝酸盐、盐酸盐、硫酸盐和磷酸盐；有机盐，例如草酸盐、乙酸盐、甲酸盐、丙酸盐、丁酸盐和戊酸盐中的一种或多种。