[发明专利]一种鳞片状石墨烯的制备方法和使用该方法制备的鳞片状石墨烯器件

说明书

技术领域  

     本发明涉及石墨烯技术领域，具体地说，本发明涉及一种鳞片状石墨烯的制备方法和使用该方法制备的鳞片状石墨烯器件。

背景技术   

     石墨烯 (Graphene) 是继富勒烯、碳纳米管之后一种新近为人类所认识的碳元素的同素异形体。石墨烯是一种碳原子以 sp²杂化轨道成键，以六元环结构形成的单层二维蜂窝状晶格结构的碳材料。石墨烯的这种独特的结构给它带来了一系列新颖、特殊的性质，比如无色透明 ( 吸收光强度仅为 2.3％ )、导电率高 ( 单层石墨烯导电率与铜相近 )、力学性能优异 ( 抗拉强度可达 50 ～ 200GPa，弹性模量可达 1TPa，单层石墨烯的抗拉强度是同等厚度钢片的 100 倍 )。以上特性使得石墨烯在触摸屏、太阳能电池、航空航天材料等诸多新能源、新材料领域具有广阔的应用前景。但是，石墨烯直接用于生产实践中还存在许多局限，因此石墨烯器件的制备及其应用研究已成为近年来科学研究中的热点。    石墨烯的制备方法归纳起来，主要有微机械剥离法、化学气相沉积法 (CVD)、还原氧化石墨法等。   其中，微机械剥离法是最早成功制备出石墨烯的方法。该方法是利用胶带的反复撕揭把石墨烯片从高定向热解石墨中分离出来 (K.S.Novoselov，et al.Science，306，666(2004))，虽然采用该方法可以制备出高品质的石墨烯，但该方法原料昂贵，制备过程耗时严重，无法实现大规模生产。   化学气相沉积法是在高温碳氢化合物 ( 如甲烷 ) 气氛下，使碳氢化合物中的碳沉积到过渡金属基板上从而制得石墨烯 (Jessica Campos-Delgado，et al.Nano Letters，8，9(2008))。该方法可以制得尺寸较大的石墨烯材料，但是，制造成本过高且所得的石墨烯产品层数难以控制，进而限制了产品的应用。   还原氧化石墨法是目前大量制备石墨烯的主要方法。该方法先将石墨氧化，然后通过剥离得到氧化石墨烯，最后将得到的氧化石墨烯通过还原得到石墨烯。该法虽然能大量制备石墨烯 (Vincent C.，et al.Nat Nanotech，4，25(2008))，但是，由于该法涉及氧化、还原过程，最终所得石墨烯仍会含有部分氧化基团，这些氧化基团破坏了石墨烯的 sp²结构，会对石墨烯的性能，特别是导电性能造成严重影响。   为解决上述制备方法存在的问题，目前国内存在的相关专利部分举例如下。   中国专利申请号 ：200910084879.1，专利名称 ：石墨烯的制备方法。该发明方法是通过碳纳米管和氧化剂在离子液体中反应而制得石墨烯。该方法步骤简单，易于操作，适合大规模工业生产。   中国专利申请号 ：200880112966.7，专利名称 ：一种二维单层石墨烯的制备方法。该发明先制备单层石墨烯用的催化剂，之后在惰性气体环境下向装有催化剂的容器中通入碳源高温裂解制得二维单层石墨烯。   综上所述，目前制备石墨烯的技术还不能满足制备方法简单、成本低廉、产品性能稳定可控等工业化基本要求，尤其不能直接制得石墨烯器件，得率较低，获得的大都是含有石墨烯的混合体系，难于分离，纯度不高，即使获得石墨烯材料，也难于制得更实用的石墨烯器件，这就极大的限制了石墨烯在更大范围、更广阔领域的应用。

发明内容   

     本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种鳞片状石墨烯的制备方法和使用该方法制备的鳞片状石墨烯器件。   本发明的目的是通过以下技术方案来实现的 ：   以柔性膨胀鳞片石墨为原料，通过压延制成膨胀石墨薄片，再与金属导体、非金属导体或者半导体通过复合制得膨胀石墨的复合材料薄片，然后将制得的膨胀石墨的复合材料薄片在电解液中通电制得石墨片层间生成有化合物的鳞片状膨胀石墨的复合材料薄片，最后用微波、超声、高温或者电解处理鳞片状膨胀石墨的复合材料薄片从而实现鳞片状膨胀石墨片层剥离制得鳞片状石墨烯以及对应的鳞片状石墨烯器件。 

    所述的石墨的选择并无特殊限制，可包括天然石墨、人造石墨，具体来说，包括天然鳞片石墨、高定向热解石墨或特殊球形石墨等。因此可达到原料来源广泛、成本低廉的目的。   更进一步的：(1)所述的压延是将柔性膨胀石墨通过多次辊压逐步获得膨胀石墨薄片；

    (2)所述的复合是在膨胀石墨薄片表面通过导电粘合剂粘合、电沉积、化学沉积、真空喷涂或者热压从而制得金属导体、非金属导体或者半导体与膨胀石墨薄片的复合材料薄片;