[发明专利]用于生产石墨烯的制程

说明书

技术领域

本发明涉及用于生产石墨烯的制程。

特别的，本发明涉及通过在多个金属颗粒上合成来生产石墨烯的制程。

背景技术

对材料科学家来说，石墨烯正变成非常流行的用于广泛应用中的材料。其结构引起一些推动其至其领域前沿的有趣的电子和机械性质。

石墨烯为单层或单片的石墨并且为包括碳纳米管和富勒烯在内的纳米碳家族的最新成员。六边形排列的碳原子的二维单层连续网络引起一些有趣的电子性质；特别是传导电子的相对论性行为，术语成称为狄拉克费米子，以仅小于光速300倍的速度移动。

石墨烯还已经表明显示出室温量子霍尔效应和双极电场效应，具有高载流子迁移率（接近200000cm²V^-1s^-1），其中电荷载流子可以在电子和空穴之间调整。除了对独特电子性质的显著兴趣，石墨烯机械性质足以比拟碳纳米管具有非凡的强度，具有1TPa杨氏模量。

石墨烯的导热率也可与碳纳米管相比较，有记载的值达到5300Wm^-1K^-1。由于这些非凡的性质，石墨烯已应用于新世代电子元件储能材料中，例如电容器和电池，聚合物纳米复合材料，光学透明薄膜，可印刷油墨和机械共振器。

问题产生于大多数现有石墨烯合成方法的扩展性。

现存方法用以生产材料的适合于一些电子学应用的高品质连续膜。然而，在诸如复合材料科学的领域中；制造用于透明电极应用，电容器，以及油墨的大面积膜，需要的数量大得多。

石墨烯已经通过许多方法制造，包括微机械剥离，在超高真空中自SiC升华硅，金属箔上化学气相沉积（CVD）生长，石墨的液相剥离以及石墨氧化为石墨烯氧化物然后还原。

制造石墨烯所带来的问题是，现有方法对于单一薄片研究以及相对大面积的连续膜有效，但是用于以可称量的数量来制备石墨烯的方法很困难。通过石墨氧化和还原制备的样品已经成为可利用的-但是难以按比例制作，并且还原步骤仅部分恢复原始的石墨结构，因此作为结果的材料不具有相关于石墨烯的非凡的机械和电子性能。

用于碳纳米管（CNTs）的生长机理包括催化分解催金属化剂颗粒表面上的碳前体分子，接下来释放的碳原子扩散进入金属颗粒中。通过达到碳溶解限度，金属中出现碳饱和，由此产生碳封套并且随着形成管结构的连续碳沉淀生长。

已经通过环绕镍纳米线模板生长石墨碳来合成CNTs，并且已经使用球形纳米颗粒来作催化气相沉积生长碳纳米管的模板。

通过在硅衬底上的ZnS纳米带上化学气相沉积甲烷/氢混合物，同样已经生长很少层石墨烯纳米带（厚度4.5-7.5nm）。Wei等人在美国化学会志（J.Am.Chem.Soc.2009,131,11147）上描述了生产石墨烯带以用于电子学应用的方法，通过化学气相沉积生产使用硅衬底上的硫化锌带作为模板来生长石墨烯。

这一方法中，需要硅衬底来原地生长硫化锌带。由于受限于硅衬底的面积，这使得该方法非常难以按比例制作。而且，该方法需要通过从硅上刮擦石墨烯从该衬底机械移除石墨烯的步骤。

众所周知，在铜箔片上生长大面积石墨烯从而以大片形式生产连续层石墨烯以用于电子装置。然而，这种制程非常昂贵并且因此不受大规模生产欢迎。

在利用金属箔的方法中，所生产的石墨烯的量相似地受限于开始衬底/箔的面积。

此外，在箔上化学气相沉积限制了需要连续膜的应用。

人们期望提供一种改进的用于生产石墨烯的制程。

发明内容

本发明一方面提供了一种如权利要求1所述的制程。

本发明又一方面提供了如权利要求22所述的石墨烯颗粒。

本发明又一方面提供了一种如权利要求23所述的油墨。

本发明又一方面提供了一种如权利要求24所述的电容器。

本发明又一方面提供了一种如权利要求25所述的膜。

本发明又一方面提供了一种如权利要求27所述的膜。

本发明又一方面提供了一种如权利要求28所述的复合材料。

本发明又一方面提供了如权利要求29所述的金属颗粒的用途。

本发明再一方面提供了一种如权利要求30所述的载体。

在本文件中，术语“金属颗粒”不限于只包含一或多种金属的颗粒。因此，术语“金属颗粒”可以包括非金属元素，并且例如可以包括诸如金属氧化物的化合物。

本发明的一方面，提供了一种用于生产石墨烯的方法，包括步骤：

提供多个金属颗粒作为石墨烯形成的模板；