[发明专利]石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，更具体而言，是关于一种以还原的方式制备具有表面改质的石墨烯的石墨烯分散液的方法。

背景技术

单层石墨，又称为石墨烯(graphene)，是一种由单层碳原子以石墨键(sp²)紧密堆积成二维蜂窝状的晶格结构，因此仅有一个碳原子的厚度，石墨键为共价键与金属键的复合键，可说是绝缘体与导电体的天作之合。2004年英国曼彻斯特大学Andre Geim与Konstantin Novoselov成功利用胶带剥离石墨的方式，证实可得到单层的石墨烯，并获得2010年的诺贝尔物理奖。

石墨烯是目前世界上最薄也是最坚硬的材料，导热系数高于奈米碳管与金刚石，常温下其电子迁移率亦比奈米碳管或矽晶体高，电阻率比铜或银更低，为目前世界上电阻率最小的材料。石墨烯与奈米碳管在透明电极的应用皆有可挠性高、反射率低的优点，是目前做为软性电子材料的首选，然而石墨烯分散液的涂布较奈米碳管分散液困难许多，石墨烯本质上非常容易聚集堆叠，欲得到高均匀性且单层的石墨烯薄膜，避免石墨烯薄片彼此不均匀地堆叠，但仍使薄片彼此接触导通是主要的技术困难点。

石墨烯的制备方法可分为剥离石墨法、直接生长法与奈米碳管转换法三大类，其中剥离石墨法可制得石墨烯粉体，而这类方法当中最适合应用于量产制程的主要为氧化还原法，此方法的原理是先将石墨材料氧化，形成石墨氧化物，再进行包括了分离与还原的处理，以得到石墨烯。

美国专利第20100237296号是将氧化石墨分散于水中，再于氧化石墨分散液中加入一非水溶性有机溶剂，加热搅拌至接近200℃，即可得到一还原的石墨烯。该方法使用有机溶剂做为还原剂，但由于还原性不足，必须提高温度才能具备足够的还原性，而操作温度可能会超过有机溶剂的沸点，因此还原过程中必须不断增添有机溶液以维持还原反应。

美国专利第7824651号是将石墨直接放入一含有分散剂的溶液中，施以80瓦以上能阶的超音波震荡或研磨，使得石墨剥离成10nm以下的单层石墨。此法简单，但是单纯靠机械力的方式很难达到所需尺寸，因此需要非常长的时间，因此耗能。

美国专利第7658901号是将氧化石墨放入一热源使其剥离为细小粉末，再置于一含有保护气氛的热源一段时间，得到最终的单层石墨产物。此方法简单快速，但是对于每批次量的粉体大小与氧含量难以控制，容易出现落差，产物的质量不稳定。

美国专利第20100303706号是将氧化石墨放入一含有联氨(hydrazine)或硼氢化钠(Sodium Borohydride，NaBH4)等强还原剂的碱性溶液中搅拌还原，即可得到具有分散性的石墨烯分散液，由于多数还原剂均为剧毒性物质，因此在操作上具有极高的危险性，除此之外，该专利提及若于非碱性溶液中进行还原，还原后的石墨烯分散液会产生严重的聚集现象，而无法得到一均匀分散的分散液。

Songfeng Pei等人于2010年发表于Carbon期刊的研究结果显示，氧化石墨薄膜可经由碘化氢酸性溶液进行还原而得到一石墨烯薄膜，该作者并发现若使用如前述的联氨等还原剂，氧化石墨薄膜经联氨还原后，薄膜型态在水中会被破坏而形成分散液，而于酸性溶液中则由于聚集的现象而使薄膜型态得以维持。

综上所述，藉由氧化石墨悬浮液还原氧化石墨为石墨烯的方法中，必须于碱性环境中进行，才能得到充分分散的石墨烯分散液，若于非碱性溶液中进行还原步骤，在氧化石墨还原为石墨烯的过程当中，会因为石墨烯表面特征的改变，而形成大量的堆栈与聚集，使得分散液呈棉絮状团聚，无法得到均匀分散的分散液。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

(a)氧化一石墨材料，形成一石墨氧化物。

(b)将该石墨氧化物分散于水中，得到一氧化石墨悬浮液。

(c)加入一分散剂到该氧化石墨悬浮液中。

(d)加入一酸性还原剂到该氧化石墨悬浮液中，该酸性还原剂与该氧化石墨进行还原反应，以形成一石墨烯，该石墨烯与该分散剂进一步产生键结，得到一石墨烯分散液，该石墨烯分散液中包括一表面改质的石墨烯。

该石墨材料选自天然石墨、可膨胀石墨、人工石墨、石墨纤维、奈米碳管及中间相碳微球的至少其中之一。