[发明专利]一种宏量制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯纳米材料，具体地说是一种宏量制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由sp²杂化的碳形成的单原子层的二维结晶体，它是许多碳同素异形体如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨的基本结构元(A.K.Geim，K.S.Novoselov，Nat.Mater.6，183(2007))。自从Geim和他的合作者于2004年首次从高定向裂解石墨上剥离出单层石墨烯后(K.S.Novoselov et al.，Science 306，666(2004))，石墨烯的开发和利用成为一个重要的研究焦点。研究发现，石墨烯具有大的比表面积、高的热导率和电导率、高的电荷载体迁移率(M.J.Allen，V.C.Tung，R.B.Kaner，Chem.Rev.110，132(2010))。因此，它在能量存储材料、催化剂、纳米场效应晶体管、化学传感器、光电子器件等领域具有广泛的应用前景(C.N.R.Rao，K.Biswas，K.S.Subrahmanyam，A.Govindaraj，J.Mater.Chem.19，2457(2009))。

然而，石墨烯的应用依赖于其大规模的制备。因此，许多研究者致力于石墨烯的研制开发。早期的方法包括机械剥离石墨或高定向裂解石墨(K.S.Novoselov et al.，Science 306，666(2004))，这种方法需要耗费大量的劳动力，而且产率很低。基于溶液的化学剥离石墨或石墨衍生物的方法也能大量生产石墨烯(Y.Hernandez et a/.，Nature Nanotech.3，563(2008))，然而，这种方法经常导致多层堆错的石墨烯(M.Lotya et a/.，J.Am.Chem.Soc.131，3611(2009))，而且得到的石墨烯往往含有很多含氧官能团，导致石墨烯具有较多的缺陷。尽管后处理的方法如通过还原或热处理的方法可以去除部分含氧官能团，但是这些缺陷依然存在，影响了其结构和性质(S.Park，R.S.Ruoff，Nature Nanotech.4，217(2009))。相比而言，通过外延的方法化学气相沉积碳氢化合物，在Ru(0001)或Ir(111)等单晶表面上能生长出高质量的单层或少层石墨烯(P.W.Sutter，J.I.Flege，E.A.Sutter，Nat.Mater.7，406(2008)；A.T.N′Diaye，S.Bleikamp，P.J.Feibelman，T.Michely，Phys.Rev.Lett.97，215501(2006))。此外，高温退火单晶碳化硅，在硅终止的表面上也能生长超薄碳膜或少层石墨烯(W.Norimatsu，M.Kusunoki，Chem.Phys.Lett.468，52(2009)；G.Levita et a/.，Nano Lett.8，4335(2008))。但是，这些外延生长的方法目前只限于表面科学的基础研究，而且在单晶表面生长石墨烯其产率相当低。因此宏量制备无支撑的石墨烯依然是一个很大的挑战，尤其是单层的石墨烯，这将是制约其未来应用的关键。

发明内容

本发明公开了一种大规模制备高质量石墨烯的方法。具体地说是利用商品碳化硅粉末作为前躯体，通过热劈裂制备而成。所得石墨烯缺陷少，抗氧化温度高，因而结构稳定。通过改变前驱体SiC粉末的粒径、晶体类型、升温速率、体系真空度以及反应气氛等可以调控所得石墨烯的尺寸、层数、形貌以及官能团的种类。

一种宏量制备石墨烯的方法，通过一步法热劈裂商品SiC多晶粉末，使Si迅速升华，得到的碳物种自组装形成石墨烯，步骤和控制参数如下，

(1)以商品SiC多晶粉末为原料；

(2)将SiC粉末放入高温真空炉中，并抽真空(真空炉的真空抽至10^-2Pa以上)或者通入一定气氛；通过改变体系真空度以及反应气氛如水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳等气体可以来调控石墨烯的层数和含氧官能团的种类

(3)控制热劈裂的温度和升温速率。通过改变温度、升温速率可以来调控石墨烯的层数。

步骤(1)石墨烯的前驱体是商品多晶SiC粉末；可以在30纳米到10微米的范围内改变SiC粉末的粒径来调控石墨烯的尺寸，所得石墨烯的尺寸随SiC粉末粒径的增加而增大；可以通过选择α型或者β型晶型来调控石墨烯的形貌，如用α型SiC得到片状石墨烯，β型SiC得到纳米卷状石墨烯。