[发明专利]石墨化学物质插层反应釜及其工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，具体是涉及一种石墨烯生产过程中的石墨化学物质插层反应釜及其工艺方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

石墨烯是单原子厚度的碳原子层，近年才被发现的二维碳原子晶体，它可以看作是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，因其力学、量子和电学性质特殊，颇受物理和材料学界重视。自由态的二维晶体结构一直被认为热力学不稳定，不能在普通环境中独立存在。2004年，Manchester大学的Geim等才从石墨剥下少量石墨烯单片并对其进行电学性质研究，发现其具有特殊的电子特性，在开发新型电子组件方便有很大的潜力。石墨烯的发现，充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的CNTs、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。石墨烯是由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其理论厚度仅为0.35nm，是目前所发现的最薄的二维材料。石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元，可以翘曲变成零维的富勒烯，卷曲形成一维的CNTs或者堆垛成三维的石墨。这种特殊结构蕴含了丰富而奇特的物理现象，使石墨烯表现出许多优异的物理化学性质，如石墨烯的强度是已测材料中最高的，达130GPa，是钢的100多倍；其载流子迁移率达到1.5×10⁴cm²V^-1s^-1，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍，超过商用硅片迁移率的10倍，在特定条件下（如低温骤冷等），其迁移率甚至可高达2.5×10⁵cm²V^-1s^-1，石墨烯的热导率可达5×10³Wm^-1K^-1，是金刚石的3倍；另外，石墨烯还具有室温量子霍尔效应（Halleffect）及室温铁磁性等特殊性质。这些优异的性能和独特的纳米结构，使石墨烯成为近年来广泛关注的焦点。基于石墨烯的纳米复合材料在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出许多优良性能，具有广阔的应用前景。

石墨烯的制备最早采用的是机械剥离法，即利用胶带粘贴石墨后再转移到硅片上，通过机械剥离法可以制得高质量低缺陷的石墨烯，因此这种方法在凝聚态物理领域的研究中有着广泛的应用。但是通过机械剥离法制得的石墨烯通常尺寸都比较小并且可控性比较差，阻碍了其在实际器件中的应用。

随后石墨烯又出现了在氧化还原法、化学气相沉积法、外延生长法、利用特定活性剂的石墨插层剥离法、以及采用氧化石墨烯的高温脱氮和化学还原法等等。

氧化还原法是石墨先经氧化得到边缘还有羧基、羟基，层间含有环氧及羰基等含氧基团的石墨氧化物（graphiteoxide），此过程可使石墨层间距离从0.34nm扩大到0.78nm，再通过外力剥离（如超声剥离）得到单原子层厚度的石墨烯氧化物（grapheneoxide），进一步还原可制备得到石墨烯。这种方法制备的石墨烯为独立的单层石墨烯片，其产量高，应用广泛。其中石墨的氧化方法主要有Hummers、Brodie和Staudenmaier三种方法，它们都是用无机强质子酸（如浓硫酸、发烟硝酸或它们的混合物）处理原始石墨，将强酸小分子插入石墨层间，再用强氧化剂（如KMnO₄、KClO₄等）对其进行氧化，此过程中对石墨层结构破坏较为严重；而在对石墨烯氧化物进行化学还原时的还原剂主要有硼氢化钠、肼等，它们能有效地将石墨烯氧化物还原成石墨烯，除去碳层间的各种含氧基团，但得到的石墨烯易产生缺陷，并且氧化和还原中用到的强酸、强氧化剂和还原剂环保问题突出，在大规模工业应用上存在一定问题。

采用气相沉积法制备出的石墨烯具有较完整的晶体结构，为石墨烯电子性能的研究提供了重要的基材，但所制得的石墨烯产量较低，成本高，难以规模化生产。

外延生长法通过碳化硅的热解制备石墨烯，其操作条件苛刻。

利用表面活性剂制得的石墨烯单片，可能因活性剂的引入影响石墨烯的固有的性质。

综上所述，目前的石墨烯生产制备方法均存在一定程度的问题，因而如何发明一种规模化制备稳定剥离的石墨烯基片对石墨烯材料的研究和应用有着重要的意义。