[发明专利]一种制备氢化石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及调节石墨烯带隙的方法，具体涉及一种制备氢化石墨烯的方法。

背景技术

2004年，英国曼切斯特大学教授A.Geim和K.Novoselov利用简单的机械剥离法，制备并观测到了单层石墨烯。完美的石墨烯是一种理想的二维晶体，具有碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，厚度仅为一个碳原子的直径，是目前世界上最薄的材料。自2004年这种材料被发现以来，它独特的物理化学性能令研究人员震惊。这两名科学家也因为这一突破性的发现，被授予2010年诺贝尔物理奖。

从化学键的键合方式上看，构成石墨烯二维结构的碳原子以sp²方式杂化，并贡献剩余的一个p轨道电子形成离域的π键，π电子可以在平面内自由移动，赋予了石墨烯优异的导电性；并且由于只有一个碳原子的厚度，石墨烯也表现为典型的二维量子材料。电子在石墨烯中的迁移率最高可达到15000cm²/(V·s)，比硅材料高10倍以上，而且几乎不受温度变化的影响。此外，其还具有高导热能力、超大比表面积、零质量狄拉克-费米子行为和异常量子霍尔效应等一系列优良的物理特性，使其在纳米电子器件领域极具应用潜力，可用来制备新型场效应晶体管、自旋电子器件和光电子器件等。

Geim小组成功研制出了石墨烯单原子层晶体管，这是世界上最小的晶体管；IBM公司开发出了世界上速度最快的石墨烯场效应晶体管，可在26GHz频率下运行。这些原型器件充分展示了石墨烯在纳米电子器件领域应用的巨大潜力，基于石墨烯的纳米电子器件也被认为是一种潜在的传统半导体微电子器件的替代物。

然而，与半导体硅不同，石墨烯的价带和导带之间没有带隙。而带隙是电子应用的关键，因为它能使材料实现电子流的开与关，发展调控石墨烯电子结构和禁带宽度技术具有重要意义。

目前，能够改变石墨烯带隙的方法有光刻法、边缘修饰法、掺杂杂元素法、氢化石墨烯法和在不同基底上外延生长石墨烯法等。

与其它方法相比，氢化石墨烯法是一种有效调节石墨烯带隙的方法。经过氢化，单层石墨烯中碳原子由sp²杂化转变为sp³杂化，引起费米能级的迁移，使禁带宽度增大，可以实现石墨烯的电性能由金属性向半导体性的转变。并且，氢化石墨烯的带隙能够由氢化程度来调节，带隙可调范围大，能满足不同器件的应用要求。禁带宽度随氢化程度增大而增大，当完全氢化时，石墨烯带隙增到5.4eV左右。

目前已报道的制备氢化石墨烯的方法主要是通过氢等离子体、电子束光刻等物理手段对石墨烯进行氢化。这类方法需要用到等离子体技术和电子束光刻技术等手段，对实验设备及实验条件有相对较高的要求；并且其需要以石墨烯为原料，而石墨烯的制备成本高昂，使这种制备方法的大规模应用受到了限制。

最近出现了湿法化学氢化法制备氢化石墨烯，即利用碱金属的液氨溶液对石墨或氧化石墨进行还原得到氢化石墨烯。这种方法原料来源广泛、成本低廉，并且反应条件温和、简单易行，适合氢化石墨烯的大规模制备。

综上，本领域尚需继续研发氢化石墨烯的制备方法，简单高效，且能降低成本，可以大规模制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的氢化石墨烯的制备方法。

本发明的第一方面，提供一种制备氢化石墨烯的方法，包括以下步骤：

(a)在惰性气氛下，将钠钾合金和无水液态胺混合得到混合溶液；

(b)将氟化石墨分散液滴加到步骤(a)所得的混合溶液中进行反应；

(c)反应1-15小后，向步骤(b)的反应体系中加入脂肪醇淬灭反应得到氢化石墨烯，

其中，所述氟化石墨分散液由氟化石墨悬浮在液态胺中制成。

在另一优选例中，所述方法还包括步骤：

(d)在淬灭反应后分离所述氢化石墨烯。

在另一优选例中，所述分离包括以下步骤：

(d1)往反应体系中加入正己烷和水，形成水相和正己烷相；

(d2)去除所述水相，用水洗涤所述正己烷相至中性；

(d3)过滤所述正己烷相得到过滤物；

(d4)干燥所述过滤物得到所述氢化石墨烯。

在另一优选例中，所述钠钾合金中钠与钾的质量比为1：0.5-8。

在另一优选例中，钾与氟化石墨中氟的摩尔比为10-50:1。

在另一优选例中，所述液态胺选自：液氨、乙二胺。

在另一优选例中，所述脂肪醇选自：乙醇、异丙醇、叔丁醇。